JP7096084B2 - Manufacturing method of light guide plate, light guide plate module, image display device and light guide plate - Google Patents

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Description

本発明は、導光板と回折素子とを組み合わせた、小型・軽量で拡張現実の表示が可能な画像表示素子および装置に関するものである。 The present invention relates to an image display element and an apparatus capable of displaying augmented reality in a compact and lightweight manner by combining a light guide plate and a diffractive element.

拡張現実の画像表示装置では、ユーザは投影されるイメージだけでなく、周囲を見ることも同時にできる。投影されたイメージは、ユーザによって知覚される現実世界に重なり得る。これらのディスプレイの他の用途として、ビデオゲーム、および、眼鏡のようなウェアラブルデバイスなどが挙げられる。ユーザは半透明な導光板とプロジェクタが一体となった眼鏡もしくはゴーグル状の画像表示装置を装着することで、現実世界に重ねてプロジェクタから供給される画像を視認することが可能である。 In an augmented reality image display device, the user can see not only the projected image but also the surroundings at the same time. The projected image can overlap the real world perceived by the user. Other uses for these displays include video games and wearable devices such as eyeglasses. The user can visually recognize the image supplied from the projector by superimposing it on the real world by wearing glasses or a goggle-shaped image display device in which a translucent light guide plate and a projector are integrated.

こうした画像表示装置に「特許文献1」~「特許文献3」に記載されているものがある。これらの特許文献の中では、導光板はガラス製の基板に形成された複数の凹凸形状の回折格子から構成されている。プロジェクタから出射した光線は、入射用の回折格子によって導光板へと結合され、全反射しながら導光板内部を伝搬する。光線はさらに別の回折格子によって複製された複数の光線に変換されながら,導光板内を全反射伝搬し,最終的に導光板から出射する。出射した光線の一部はユーザの瞳を介して網膜に結像され,現実世界の画像に重なった拡張現実画像として認識される。 Some of these image display devices are described in "Patent Document 1" to "Patent Document 3". In these patent documents, the light guide plate is composed of a plurality of concave-convex-shaped diffraction gratings formed on a glass substrate. The light rays emitted from the projector are coupled to the light guide plate by the diffraction grating for incident light, and propagate inside the light guide plate while being totally reflected. The light beam is totally reflected and propagated in the light guide plate while being converted into a plurality of light rays duplicated by yet another diffraction grating, and finally emitted from the light guide plate. A part of the emitted light beam is imaged on the retina through the user's pupil and recognized as an augmented reality image superimposed on the image in the real world.

こうした凹凸型の回折格子を用いた導光板では,プロジェクタから出射した光線の波数ベクトルKは,導光板の中に屈折してスネル法則により波数ベクトルがK0となる。さらに入射用の回折格子によって導光板内部を全反射伝搬が可能な波数ベクトルK1に変換される。導光板に設けられた別の1つまたは複数の回折格子により回折作用を受け,K2,K3,・・・のように回折を繰り返すごとに波数ベクトルが変化する。 In a light guide plate using such a concave-convex diffraction grating, the wave vector K of the light beam emitted from the projector is refracted into the light guide plate, and the wave number vector becomes K0 according to Snell's law. Further, it is converted into a wave vector K1 capable of total reflection propagation inside the light guide plate by the diffraction grating for incident. It is subjected to diffraction action by another one or a plurality of diffraction gratings provided on the light guide plate, and the wave number vector changes each time diffraction is repeated as in K2, K3, ....

最終的に導光板を出射した光線の波数ベクトルをK’とすると,|K’|=|K|であり,プロジェクタが導光板を介して,目と反対側にある場合には,K’=Kとなる。一方,プロジェクタが導光板を介して,目と反対側にある場合には,波数ベクトルに関して導光板は反射ミラーと同じ作用となり,導光板の法線ベクトルをz方向にとり,波数ベクトルのx,y,z成分を比較すると,Kx’=Kx,Ky’=Ky,Kz’=-Kzと表すことができる。 If the wave vector of the light ray finally emitted from the light guide plate is K', then | K'| = | K |, and if the projector is on the opposite side of the eye via the light guide plate, K'= It becomes K. On the other hand, when the projector is on the opposite side of the eye through the light guide plate, the light guide plate has the same function as the reflection mirror with respect to the wave vector, and the normal vector of the light guide plate is taken in the z direction, and the x and y of the wave vector are taken. , Z components are compared and can be expressed as Kx'= Kx, Ky'= Ky, Kz'= −Kz.

導光板の機能は,プロジェクタから出射した光線を複数に複製しながら導波し,出射した複数の光線は元の画像と等価な画像情報としてユーザに認識されるようにするものである。光線の波長によって波数ベクトルの大きさが異なる。凹凸型の回折格子は一定の波数ベクトルを有するため,入射する光線の波長によって,回折された波数ベクトルK1が異なり,異なる角度で導光板内を伝搬する。導光板を構成するガラス基板の屈折率は波長に対して概略一定であり,全反射しながら導光する条件の範囲は,入射する光線の波長によって異なる。このため,広い視野角の画像をユーザに認識させるためには,波長ごとに異なる導光板を複数枚かさねる必要がある。一般的に導光板の数はR,G,Bそれぞれに対応した枚数,もしくはプラスマイナス1枚程度が最適と考えられる。 The function of the light guide plate is to guide the light rays emitted from the projector while replicating them to a plurality of rays so that the user can recognize the plurality of light rays emitted as image information equivalent to the original image. The magnitude of the wave vector differs depending on the wavelength of the light beam. Since the concave-convex diffraction grating has a constant wave vector, the diffracted wave vector K1 differs depending on the wavelength of the incident light beam, and propagates in the light guide plate at different angles. The refractive index of the glass substrate constituting the light guide plate is substantially constant with respect to the wavelength, and the range of conditions for guiding light while totally reflecting is different depending on the wavelength of the incident light beam. Therefore, in order for the user to recognize an image having a wide viewing angle, it is necessary to stack a plurality of light guide plates different for each wavelength. Generally, it is considered that the optimum number of light guide plates is the number corresponding to each of R, G, and B, or about plus or minus one.

「特許文献1」に記載されている画像表示装置は二次元内で入力光を拡大するための画像表示装置であって,3つの直線状回折格子を備える。1つは入射用の回折格子であり,他の2つの回折格子は,代表的には導光板の表面と裏面に互いに重なって配置され,複製用と出射用の回折格子の機能を果たす。 The image display device described in "Patent Document 1" is an image display device for enlarging input light in two dimensions, and includes three linear diffraction gratings. One is an incident diffraction grating, and the other two diffraction gratings are typically arranged on the front surface and the back surface of the light guide plate so as to overlap each other, and serve as a diffraction grating for duplication and emission.

「特許文献2」,「特許文献3」に記載されている画像表示装置では,入射用,X方向複製用,およびY方向複製と出射用の3つの回折格子が,導光板内で領域が重なることなく配置されている。「特許文献3」では,入射回折格子の回折効率を高くするために,オーバハングされた三角形状の回折格子が開示されている。 In the image display devices described in "Patent Document 2" and "Patent Document 3", three diffraction gratings for incident, X-direction duplication, and Y-direction duplication and emission overlap in a light guide plate. It is placed without any problems. "Patent Document 3" discloses an overhung triangular diffraction grating in order to increase the diffraction efficiency of the incident diffraction grating.

「特許文献4」と「特許文献5」には,導光板に形成される回折格子として,入射用と出射用の2つの反射型体積型ホログラムを用いる技術が開示されている。これらにおいて,体積型ホログラムは,複数の波長に対応した回折格子を空間内に多重に形成されたものであり,「特許文献1」~「特許文献3」の凹凸型回折格子と異なり,複数の波長の光線を同じ角度で回折する。したがって,1枚の導光板でRGB画像をユーザに認識させることができる。一方,「特許文献1」~「特許文献3」の凹凸型回折格子では光線をX,Yの2次元方向に複製するため広い視野角を実現しうるのに対して,「特許文献4」と「特許文献5」ではX方向の1次元複製の機能のみ提供されるため,視野角が相対的に狭いという特徴がある。 "Patent Document 4" and "Patent Document 5" disclose techniques for using two reflective volumetric holograms, one for incident and the other for emission, as a diffraction grating formed on a light guide plate. In these, the volumetric hologram is formed by forming multiple diffraction gratings corresponding to a plurality of wavelengths in the space, and unlike the concave-convex diffraction gratings of "Patent Document 1" to "Patent Document 3", a plurality of diffraction gratings are formed. Diffracts light rays of wavelength at the same angle. Therefore, the RGB image can be recognized by the user with one light guide plate. On the other hand, in the concave-convex diffractive grids of "Patent Document 1" to "Patent Document 3", a wide viewing angle can be realized because the light rays are duplicated in the two-dimensional directions of X and Y, whereas "Patent Document 4" is used. Since "Patent Document 5" provides only the function of one-dimensional duplication in the X direction, it has a feature that the viewing angle is relatively narrow.

特表2017-528739号公報Special Table 2017-528739 US2016/0231566A1公報US2016 / 0231566A1 Publication WO99/52002A1公報WO99 / 52002A1 Gazette 特開2007-94175号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-94175 特開2013-200467号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-200467 再表2014/156167号公報Re-table 2014/156167

「特許文献1」では導光板に基板材料に関し,その0038項等にあるように,ガラス材料を用いる技術を開示している。回折格子に関しては,その0017項にあるように,導波路(=ガラスプレート)表面をエッチングによって加工して形成する技術を開示している。 "Patent Document 1" discloses a technique of using a glass material for a light guide plate as described in item 0038 of the substrate material. As for the diffraction grating, as described in paragraph 0017, the technique of forming the surface of the waveguide (= glass plate) by etching is disclosed.

「特許文献2」では回折格子に関し,その0044項にあるように,表面レリーフ格子SRG(=凹凸型回折格子)は基板上に所望の周期的微細構造を製造するために、基板のエッチングおよび/または堆積を含む適切な“微細加工プロセス”によって製造される技術を開示している。基板に関しては,光学部品そのもの,もしくは光学部品を製造するための金型などの製造マスターであってもよいとされている。「特許文献2」のFig.5B~Fig.5Cには、入射回折格子に好適なオーバハングされた三角状の回折格子が示されている。 Regarding the diffraction grating in "Patent Document 2", as described in the section 0044, the surface relief grating SRG (= uneven diffraction grating) is used for etching and / or etching the substrate in order to produce a desired periodic microstructure on the substrate. Alternatively, it discloses a technique manufactured by an appropriate "microfabrication process" including deposition. Regarding the substrate, it is said that the optical component itself or the manufacturing master of a mold for manufacturing the optical component may be used. In FIGS. 5B to 5C of "Patent Document 2", an overhanging triangular diffraction grating suitable for an incident diffraction grating is shown.

特許文献3では基板に関し,その第8頁にあるように,ガラス基板を用いる技術を開示している。特許文献3のFig.1には導光板の構成が示されている。 Patent Document 3 discloses a technique of using a glass substrate as described on page 8 of the substrate. Fig. 1 of Patent Document 3 shows the configuration of the light guide plate.

これらの技術で開示される導光板はガラス基板を用い,回折格子は,半導体の加工に広く用いられているエッチングやリソグラフィ等の“微細加工プロセス”により形成するものである。“微細加工プロセス”のエッチング工程では,真空装置内でGa等のプラズマ粒子を用いた切削加工により,ガラス基板の表面に凹凸形状を形成することができる。 The light guide plate disclosed in these techniques uses a glass substrate, and the diffraction grating is formed by a "microfabrication process" such as etching or lithography, which is widely used in semiconductor processing. In the etching process of the "microfabrication process", an uneven shape can be formed on the surface of the glass substrate by cutting using plasma particles such as Ga in a vacuum device.

ガラス基板のエッチング工程により形成された導光板は,真空工程等を含むため,製造コストの低減には限界があった。また,近年の眼鏡の例に見られるように,ガラス材料は重いため,ユーザが快適に装着するためにプラスチックレンズが主流になっている。 Since the light guide plate formed by the etching process of the glass substrate includes a vacuum process and the like, there is a limit to the reduction of the manufacturing cost. In addition, as seen in recent examples of eyeglasses, glass materials are heavy, so plastic lenses have become the mainstream for users to wear them comfortably.

本発明の目的に照らした場合,先行技術の課題は,ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減である。 In the light of the object of the present invention, the problem of the prior art is the reduction of cost and weight by using the light guide plate made of glass.

本発明の好ましい一側面は、第1の樹脂からなる第1の部材と、第1の部材の少なくとも一部の上に形成された第2の樹脂からなる第2の部材とを備える導光板である。この導光板では、第1の樹脂と第2の樹脂は異なる樹脂であり、第1の部材には第1のパターンからなる第1の回折格子が形成され、第2の部材には第2のパターンからなる第2の回折格子が形成される。そして、第1のパターンと第2のパターンは異なるパターンである。 A preferred aspect of the present invention is a light guide plate comprising a first member made of a first resin and a second member made of a second resin formed on at least a part of the first member. be. In this light guide plate, the first resin and the second resin are different resins, a first diffraction grating composed of a first pattern is formed on the first member, and a second diffraction grating is formed on the second member. A second diffraction grating consisting of a pattern is formed. The first pattern and the second pattern are different patterns.

本発明の好ましい他の一側面は、上記の導光板を複数備え、複数の導光板のそれぞれは所定の波長に対応した、互いに異なる第1のパターンを有し、複数の導光板を積層して形成した導光板モジュールである。 Another preferred aspect of the present invention is to include the plurality of light guide plates described above, each of the plurality of light guide plates having a different first pattern corresponding to a predetermined wavelength, and the plurality of light guide plates are laminated. It is a formed light guide plate module.

本発明の好ましい他の一側面は、上記の導光板と、映像を投影するプロジェクタとを備え、プロジェクタの出射光が,第2のパターンを照射するように配置されている、画像表示装置である。 Another preferred aspect of the present invention is an image display device comprising the light guide plate and a projector for projecting an image, wherein the emitted light of the projector is arranged to irradiate a second pattern. ..

本発明の好ましい他の一側面は、ポリカーボネートあるいはアクリル樹脂で形成され、面に第1の回折格子パターンを有する基板を準備する第1の工程と、第1の回折格子パターンの上に、光硬化樹脂を配置する第2の工程と、光硬化樹脂に第2の回折格子パターンを転写する第3の工程と、光硬化樹脂を硬化させる第4の工程と、を有することを特徴とする導光板の製造方法である。 Another preferred aspect of the invention is the first step of preparing a substrate which is made of polycarbonate or acrylic resin and has a first diffraction grating pattern on the surface, and photocuring on top of the first diffraction grating pattern. A light guide plate comprising a second step of arranging the resin, a third step of transferring the second diffraction grating pattern to the photocurable resin, and a fourth step of curing the photocurable resin. It is a manufacturing method of.

本発明によれば、ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減が可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the cost and weight by using the light guide plate made of glass.

回折格子の形状パラメータの定義を示す模式側面図。Schematic side view showing the definition of the shape parameter of the diffraction grating. 回折格子の形状パラメータの定義を示す模式側面図。Schematic side view showing the definition of the shape parameter of the diffraction grating. 実施例の導光板の製造方法を示す流れ図。The flow chart which shows the manufacturing method of the light guide plate of an Example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing method of the light guide plate of an Example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing method of the light guide plate of an Example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing method of the light guide plate of an Example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing method of the light guide plate of an Example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing method of the light guide plate of an Example. 試作素子の外観写真。External photograph of the prototype element. 試作素子の評価結果の回折パターン像。Diffraction pattern image of the evaluation result of the prototype element. 試作素子の評価結果の回折パターン像。Diffraction pattern image of the evaluation result of the prototype element. 試作素子の評価結果のグラフ図。Graph diagram of the evaluation result of the prototype element. 試作素子の評価結果のビームパターン像。Beam pattern image of the evaluation result of the prototype element. 1次回折効率の測定結果と回折モデルの比較結果を示すグラフ図。The graph which shows the measurement result of the primary diffraction efficiency and the comparison result of a diffraction model. 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the pitch of a diffraction grating and the pixel ratio. 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the pitch of a diffraction grating and the pixel ratio. 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the pitch of a diffraction grating and the pixel ratio. 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。The graph which shows the other simulation result which shows the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio. 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。The graph which shows the other simulation result which shows the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio. 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。The graph which shows the other simulation result which shows the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio. 視野角25度の場合の画素率を示すシミュレーション結果を示すイメージ図。The image figure which shows the simulation result which shows the pixel ratio in the case of a viewing angle of 25 degrees. 視野角25度の場合の画素率を示すシミュレーション結果を示すイメージ図。The image figure which shows the simulation result which shows the pixel ratio in the case of a viewing angle of 25 degrees. 光ディスクの量産プロセス技術を実施例の導光板に活用するための適合性についてまとめた結果を示す表図。The figure which shows the result which summarized the suitability for utilizing the mass production process technique of an optical disk for the light guide plate of an Example. 電磁場計算により求めた出射回折格子の高さと回折効率の関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the height of the emission diffraction grating obtained by the electromagnetic field calculation and the diffraction efficiency. 出射回折格子の回折効率と投影像の輝度の関係を計算した結果を示すグラフ図。The graph which shows the result of having calculated the relationship between the diffraction efficiency of an emission diffraction grating and the brightness of a projected image. 出射回折格子の回折効率と投影像の画質の関係を計算した結果を示すグラフ図。The graph which shows the result of having calculated the relationship between the diffraction efficiency of an emission diffraction grating and the image quality of a projected image. 光ディスクの量産プロセスを活用した実施例の導光板を形成するプロセス全体を示す側面摸式図。The side view which shows the whole process of forming the light guide plate of an Example which utilized the mass production process of an optical disk. 実施例の入射回折格子の作成プロセスを示す側面摸式図。A side view showing the process of creating an incident diffraction grating of an example. 入射するビームの直径4mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果イメージ図。Calculation result image diagram of the image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 4 mmφ. 入射するビームの直径4mmφの場合の輝度のRMS値をまとめた計算結果のグラフ図。The graph of the calculation result summarizing the RMS value of the luminance when the diameter of the incident beam is 4 mmφ. 入射するビームの直径4mmφの場合の輝度の最大値をまとめた計算結果のグラフ図。The graph of the calculation result summarizing the maximum value of the luminance when the diameter of the incident beam is 4 mmφ. 入射するビームの直径1mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果イメージ図。Calculation result image diagram of the image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 1 mmφ. 入射するビームの直径1mmφの場合の輝度のRMS値をまとめた計算結果のグラフ図。The graph of the calculation result summarizing the RMS value of the luminance when the diameter of the incident beam is 1 mmφ. 入射するビームの直径1mmφの場合の輝度の最大値をまとめた計算結果のグラフ図。The graph of the calculation result summarizing the maximum value of the luminance when the diameter of an incident beam is 1 mmφ. 導光板の厚さと光線と出射回折格子が交差する点の間隔の関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the thickness of a light guide plate and the interval of the point where a light ray and an emission diffraction grating intersect. 導光板の厚さと輝度最大および輝度ムラ最小となる出射回折格子の回折効率の関係を示す計算結果のグラフ図。The graph of the calculation result which shows the relationship between the thickness of a light guide plate and the diffraction efficiency of the emission diffraction grating which minimizes the luminance maximum and the luminance unevenness. 実施例の導光板の構成を示す断面図。The sectional view which shows the structure of the light guide plate of an Example. 透過型の入射回折格子のシミュレーション結果を示すイメージ図。An image diagram showing a simulation result of a transmission type incident diffraction grating. 反射型の入射回折格子のシミュレーション結果を示すイメージ図。An image diagram showing a simulation result of a reflection type incident diffraction grating. 導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果を示すイメージ図。An image diagram showing a simulation result that visualizes the intensity distribution of light rays propagating inside the light guide plate. 導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果を示すイメージ図。An image diagram showing a simulation result that visualizes the intensity distribution of light rays propagating inside the light guide plate. 実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図。The schematic diagram which shows the improvement method of the luminance unevenness of a projected image by an Example. 実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図。The schematic diagram which shows the improvement method of the luminance unevenness of a projected image by an Example. 輝度ムラを軽減する方法を説明するグラフ図Graph diagram explaining how to reduce luminance unevenness 輝度ムラを軽減する実施例の導光板を示す摸式図。The schematic diagram which shows the light guide plate of an Example which reduces the luminance unevenness. 実施例の導光板を用いた別の実施例を示す摸式図。Schematic diagram showing another embodiment using the light guide plate of the embodiment. 実施例の導光板を示す模式図。The schematic diagram which shows the light guide plate of an Example.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description of the embodiments shown below. It is easily understood by those skilled in the art that a specific configuration thereof can be changed without departing from the idea or purpose of the present invention.

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。 In the configuration of the invention described below, the same reference numerals may be used in common among different drawings for the same parts or parts having similar functions, and duplicate description may be omitted.

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。 When there are a plurality of elements having the same or similar functions, they may be described by adding different subscripts to the same code. However, if it is not necessary to distinguish between multiple elements, the subscript may be omitted for explanation.

本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。 Notations such as "first", "second", and "third" in the present specification and the like are attached to identify components, and do not necessarily limit the number, order, or contents thereof. is not. Further, the numbers for identifying the components are used for each context, and the numbers used in one context do not always indicate the same composition in the other contexts. Further, it does not prevent the component identified by a certain number from functioning as the component identified by another number.

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。 The position, size, shape, range, etc. of each configuration shown in the drawings and the like may not represent the actual position, size, shape, range, etc. in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range and the like disclosed in the drawings and the like.

以下の実施例では、導光板のプラスチック化を可能とする技術を開示する。また,上述のように導光板には入射用とそれ以外の回折格子が形成される。本明細書では,以下,前者を入射回折格子,後者を出射回折格子として表現を統一して説明を進める。 The following examples disclose techniques that enable the light guide plate to be made of plastic. Further, as described above, a diffraction grating for incident use and other diffraction gratings are formed on the light guide plate. In the present specification, the former will be referred to as an incident diffraction grating and the latter as an outgoing diffraction grating.

広く普及しているCD(Compact Disc),DVD(Digital Versatile Disc),BD(Blu-ray(登録商標) Disc)等の光ディスクでは,基板としてポリカーボネートに代表されるプラスチック材料が用いられている。基板の表面には光スポットの案内溝として320nm(25GB容量BD)程度から740nm(4.7GB容量DVD)程度のピッチで,深さが50~100nm程度の凹凸が形成されている。基板の製法は真空工程を含まない射出成型法で量産化されており,安価に供給されている。なお、本明細書で表示「A~B」は、「A以上B以下」の意味で用いるとする。また、本明細書では「樹脂」とは高分子化合物からなる材料を意味し、ガラスを含まず、レジン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、光硬化樹脂を含む概念である。 Optical discs such as CD (Compact Disc), DVD (Digital Versaille Disc), and BD (Blu-ray (registered trademark) Disc), which are widely used, use a plastic material typified by polycarbonate as a substrate. The surface of the substrate is formed with irregularities having a pitch of about 320 nm (25 GB capacity BD) to 740 nm (4.7 GB capacity DVD) and a depth of about 50 to 100 nm as guide grooves for light spots. The substrate is mass-produced by an injection molding method that does not include a vacuum process, and is supplied at low cost. In this specification, the indications "A to B" are used to mean "A or more and B or less". Further, in the present specification, "resin" means a material made of a polymer compound, and is a concept that does not contain glass but includes resin, polycarbonate, acrylic resin, and photocurable resin.

導光板に必要な回折格子のピッチと深さについて,発明者らの検討の結果を以下に述べる。回折格子のピッチは,入射回折格子と出射回折格子で共通であり,200~700nm,好ましくは300~600nmが適している。回折格子の深さに関しては,入射回折格子と,出射回折格子で好適な回折効率が異なることを考慮する必要がある。一般に回折格子の回折効率は深さの増加に応じて大きくなるという関係がある。入射回折格子は入射した光線を効率よく導光板に結合するために,10%~80%,好ましくは30%~70%の1次回折効率を有することが望ましい。一方,出射回折格子は,光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため,0.1%~10%,好ましくは0.5%~5.0%の1次回折効率を有することが望ましい。 The results of our studies on the pitch and depth of the diffraction grating required for the light guide plate are described below. The pitch of the diffraction grating is common to the incident diffraction grating and the emission diffraction grating, and 200 to 700 nm, preferably 300 to 600 nm is suitable. Regarding the depth of the diffraction grating, it is necessary to consider that the suitable diffraction efficiency differs between the incident diffraction grating and the emission diffraction grating. Generally, there is a relationship that the diffraction efficiency of a diffraction grating increases as the depth increases. It is desirable that the incident diffraction grating has a primary diffraction efficiency of 10% to 80%, preferably 30% to 70% in order to efficiently bond the incident light rays to the light guide plate. On the other hand, since the emission diffraction grating carries out replication of light rays and emission from the light guide plate over a wide area, the primary diffraction efficiency is 0.1% to 10%, preferably 0.5% to 5.0%. It is desirable to have.

回折効率の適性値に応じて,入射回折格子の深さは50~500nm,好ましくは100~400nmであることが望まれる。一方,出射回折格子の深さは10~200nm,好ましくは20~100nmであることが望ましい。注目すべき点は,出射回折格子に求められるピッチと深さが,射出成型法を用いることにより安価に提供されている光ディスクのピッチと深さが略等しい点である。従って,光ディスクの製造技術を活用することにより,プラスチック基板上に凹凸型回折格子として,出射回折格子を安価に形成することが可能であることが判る。 It is desirable that the depth of the incident diffraction grating is 50 to 500 nm, preferably 100 to 400 nm, depending on the appropriate value of the diffraction efficiency. On the other hand, the depth of the emission diffraction grating is preferably 10 to 200 nm, preferably 20 to 100 nm. It should be noted that the pitch and depth required for the emission diffraction grating are substantially the same as the pitch and depth of the optical disc provided at low cost by using the injection molding method. Therefore, it can be seen that the emission diffraction grating can be inexpensively formed as a concave-convex diffraction grating on a plastic substrate by utilizing the manufacturing technique of the optical disc.

その他、入射回折格子と出射回折格子の最適化は、それらの形状、アスペクト、高さ、デユーティー、パターニング領域面積の少なくとも一つをそれぞれの格子に適切なものに設定することで実現される。 In addition, optimization of the incident diffraction grating and the emission diffraction grating is realized by setting at least one of their shape, aspect, height, duty, and patterning area area to be appropriate for each grating.

DVDとBDでは,記録容量を増やした多層光ディスクが実用化されている。第1の記録層は上述の射出成型により形成されたプラスチック基板を用いて形成され,その上に2P(Photo-Polymarization)法によりUV樹脂を用いたパターン転写技術により第2の記録層が形成されている。2P法は射出成型法に比較して深さの大きな回折格子を形成することが可能である。後述するように,発明者らの検討により,2P法により入射回折格子に好適な条件である深さ0.3μmの回折格子が良好に形成できることが判っている。 For DVDs and BDs, multi-layer optical discs with increased recording capacity have been put into practical use. The first recording layer is formed by using the plastic substrate formed by the above-mentioned injection molding, and the second recording layer is formed on the first recording layer by a pattern transfer technique using a UV resin by a 2P (Photo-Polymation) method. ing. The 2P method can form a diffraction grating having a larger depth than the injection molding method. As will be described later, according to the studies by the inventors, it has been found that a diffraction grating having a depth of 0.3 μm, which is a suitable condition for an incident diffraction grating, can be satisfactorily formed by the 2P method.

次に,導光板の回折格子の面積について述べる。「特許文献1」~「特許文献3」に記載されてもいるが,上に述べたそれぞれの機能に照らして,入射回折格子の面積は出射回折格子の面積より小さく、入射回折格子の面積<<出射回折格子である。 Next, the area of the diffraction grating of the light guide plate will be described. Although described in "Patent Document 1" to "Patent Document 3", the area of the incident diffraction grating is smaller than the area of the exit diffraction grating in light of the respective functions described above, and the area of the incident diffraction grating < <Exit diffraction grating.

以下の工程により導光板を形成することにより,光ディスクの製造技術を活用した低コスト化と,プラスチック化による軽量化を実現した導光板を提供することができる。
(1)射出成型法により,大面積の出射回折格子を有するプラスチック基板を作成。
(2)その上の一部の領域に,2P法により入射回折格子を形成。
(3)これらの1枚または複数枚をフレームに内蔵させて,導光板を形成。
By forming the light guide plate by the following process, it is possible to provide a light guide plate that realizes cost reduction by utilizing the manufacturing technique of the optical disk and weight reduction by plasticization.
(1) Create a plastic substrate with a large area emission diffraction grating by the injection molding method.
(2) An incident diffraction grating is formed in a part of the area above it by the 2P method.
(3) One or more of these are built into the frame to form a light guide plate.

以下の実施例では,導光板として凹凸型回折格子を有する導光板を例に、さらに詳細に説明を進める。最初に,以下の実施例の理解を容易にするため,回折格子の形状パラメータの定義についてまとめる。 In the following examples, a light guide plate having a concave-convex diffraction grating as a light guide plate will be described in more detail. First, in order to facilitate the understanding of the following examples, the definitions of the shape parameters of the diffraction grating are summarized.

図1Aは入射回折格子、図1Bは出射回折格子の形状パラメータの定義であり、基板を側面から見た図である。図1Aに示すように,入射回折格子はピッチP,高さH,およびブレーズ角θにより定義される。また図1Bに示すように,出射回折格子はピッチP,高さH,凸部幅A,およびデューティD=A/Pにより定義される。ここに示した例は,入射回折格子と出射回折格子として代表的な形状について示したものであり,本実施例では,これら以外に正弦波状回折格子等を用いることができる。 FIG. 1A is a definition of the shape parameter of the incident diffraction grating and FIG. 1B is the definition of the shape parameter of the emission diffraction grating, and is a view of the substrate from the side. As shown in FIG. 1A, the incident diffraction grating is defined by the pitch P, the height H, and the blaze angle θ B. Further, as shown in FIG. 1B, the exit diffraction grating is defined by the pitch P, the height H, the convex portion width A, and the duty D = A / P. The example shown here shows typical shapes of an incident diffraction grating and an outgoing diffraction grating, and in this embodiment, a sinusoidal diffraction grating or the like can be used in addition to these.

図2は、本発明の第1の実施例の画像表示素子(導光板)の作成工程を示す流れ図である。
図3A~図3Eは、作成工程の各段階を模式的に示す図である。図2と図3A~図3Eを参照して、実施例の作成工程を説明する。
FIG. 2 is a flow chart showing a process of creating an image display element (light guide plate) according to the first embodiment of the present invention.
3A to 3E are diagrams schematically showing each stage of the production process. The process of creating the embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3A to 3E.

初めに入射回折格子用の母型301と出射回折格子用の母型302をEB描画法等により準備する(S101、図3A)。出射回折格子用の母型302は射出成型プロセスに適合するようにNiスタンパに転写して用いている。 First, a master die 301 for an incident diffraction grating and a master die 302 for an exit diffraction grating are prepared by an EB drawing method or the like (S101, FIG. 3A). The mother die 302 for the emission diffraction grating is transferred to a Ni stamper and used so as to be compatible with the injection molding process.

次に出射回折格子用の母型302を用いて,射出成型法によりプラスチック材料を用いて表面に出射回折格子303を形成した基板304を作成する(S102、図3B)。基板304を構成するプラスチック材料としては,広く用いられているポリカーボネートが好ましいが,ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)等のアクリル樹脂ほかの透明樹脂材料を用いることもできる。なお、図3Bに、基板として用いたDVD-RAMディスク305上における、形成された出射回折格子303の配置の例をあわせて示す。 Next, using the mother die 302 for the emission diffraction grating, a substrate 304 having the emission diffraction grating 303 formed on the surface using a plastic material by an injection molding method is produced (S102, FIG. 3B). As the plastic material constituting the substrate 304, polycarbonate, which is widely used, is preferable, but acrylic resin such as polymethyl methacrylate resin (PMMA) and other transparent resin materials can also be used. Note that FIG. 3B also shows an example of the arrangement of the formed emission diffraction grating 303 on the DVD-RAM disk 305 used as the substrate.

次いで,必要に応じ外界の視認性を高めるための反射防止コーティング306を,基板304の回折格子と反対の面に,スパッタリング法等により形成する(S103、図3C)。 Next, an antireflection coating 306 for enhancing the visibility of the outside world is formed on the surface of the substrate 304 opposite to the diffraction grating by a sputtering method or the like (S103, FIG. 3C).

次に、射出成型により形成された基板304の一部に,入射回折格子用の母型301を用いて2P法により入射回折格子307を形成する(S104、図3D)。基板304の上にUV樹脂で入射回折格子を形成するが、そのためのUV樹脂の厚さは2~10μm程度である。図3Dには側面図と上面図をあわせて示す。図3Dに示すように、入射回折格子307は、出射回折格子303に重ねて形成される。2P法の替わりにドライシートをスタンパとするナノインプリント法等を用いてもよい。 Next, the incident diffraction grating 307 is formed on a part of the substrate 304 formed by injection molding by the 2P method using the matrix 301 for the incident diffraction grating (S104, FIG. 3D). An incident diffraction grating is formed on the substrate 304 with a UV resin, and the thickness of the UV resin for that purpose is about 2 to 10 μm. FIG. 3D shows both a side view and a top view. As shown in FIG. 3D, the incident diffraction grating 307 is formed so as to be superimposed on the exit diffraction grating 303. Instead of the 2P method, a nanoimprint method or the like using a dry sheet as a stamper may be used.

続いて,必要に応じ入射回折格子307の波長分離性能と回折効率の向上のため,入射回折格子307の上にマスクスパッタリング法等により反射コーティング308を行う(S105、図3E)。以上により,プラスチック製の安価で計量な導光板300を形成することができる。 Subsequently, if necessary, in order to improve the wavelength separation performance and the diffraction efficiency of the incident diffraction grating 307, a reflection coating 308 is applied on the incident diffraction grating 307 by a mask sputtering method or the like (S105, FIG. 3E). From the above, it is possible to form an inexpensive and weighable light guide plate 300 made of plastic.

図4はDVD-RAMディスクに、試作した素子の領域A、B,Cの外観写真を示している。DVD-RAMディスクの凹凸パターンは出射回折格子に、試作した素子は入射回折格子に相当する。ここでは射出成型法で作成された表面に周期的な凹凸パターンを有するポリカーボネート基板の上に市販のブレーズ型回折格子を母型として2P法によりパターン転写を行うと共に,マスクスパッタリング法で反射コーティングを形成した。選択したブレーズ型回折格子はピッチ833nm,AFM(Atomic Force Microscope)により測定した三角形の凹凸パターンの高さは374nmであった。ポリカーボネート基板としては,射出成型法で形成された直径80mmのDVD-RAM基板401を選択した。 FIG. 4 shows an external photograph of regions A, B, and C of the prototype element on a DVD-RAM disk. The uneven pattern of the DVD-RAM disk corresponds to the emission diffraction grating, and the prototype element corresponds to the incident diffraction grating. Here, a pattern is transferred by the 2P method using a commercially available blaze-type diffraction grating as a matrix on a polycarbonate substrate having a periodic uneven pattern on the surface created by the injection molding method, and a reflective coating is formed by the mask sputtering method. did. The selected blaze type diffraction grating had a pitch of 833 nm, and the height of the uneven pattern of the triangle measured by AFM (Atomic Force Microscope) was 374 nm. As the polycarbonate substrate, a DVD-RAM substrate 401 having a diameter of 80 mm formed by an injection molding method was selected.

DVD-RAM基板401において光スポットの案内溝として形成された凹凸パターンは矩形の回折格子として作用する。回折格子のピッチは1230nm,パターン高さは約70nmである。図中の3つの素子領域A、B,Cは1辺12.7mmの矩形であり,それぞれ(1)グレーティングの2P樹脂のみを形成した領域A,(2)反射コーティングのみを形成した領域B,および(3)グレーティングの2P樹脂上に反射コーティングを形成した導波チェック領域Cである。グレーティングの2P樹脂は,図3Dで説明した入射回折格子307に相当する。 The uneven pattern formed as the guide groove of the light spot on the DVD-RAM substrate 401 acts as a rectangular diffraction grating. The pitch of the diffraction grating is 1230 nm, and the pattern height is about 70 nm. The three element regions A, B, and C in the figure are rectangles having a side of 12.7 mm, and (1) a region A in which only the grating 2P resin is formed, and (2) a region B in which only the reflective coating is formed, respectively. And (3) a waveguide check region C in which a reflective coating is formed on a 2P resin of a grating. The grating 2P resin corresponds to the incident diffraction grating 307 described in FIG. 3D.

反射コーティングは、評価に用いた赤色レーザ(波長635nm)に対して回折効率を高めるために準備した5層光学フィルタである。膜構成は光ディスク用の光学膜として広く用いられる誘電体材料から選択し,ポリカーボネート基板(屈折率1.58、膜厚600μm(以下同様))/ZnS-SiO2(2.33、88nm)/SiO2(1.47、80nm)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)/SiO2(1.47、80nm)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)とした。以下,この試作素子の評価結果から,本実施例の骨子である射出成型基板による出射回折格子の上に2P法等により入射回折格子を形成したプラスチック導光板の実現性を示す。
(1)2P法で形成した入射回折格子の性能
図5Aおよび図5Bは,図4で説明したDVD-RAM基板401にレーザ光を垂直入射した場合の回折パターンを示す。図5Aは,グレーティングの2P樹脂が形成されていない領域でのパターンである。図5Bは,グレーティングの2P樹脂が形成されている領域でのパターンである。
The reflective coating is a five-layer optical filter prepared to improve the diffraction efficiency with respect to the red laser (wavelength 635 nm) used for the evaluation. The film composition is selected from dielectric materials widely used as optical films for optical disks, and polycarbonate substrate (refractive index 1.58, film thickness 600 μm (same below)) / ZnS-SiO 2 (2.33, 88 nm) / SiO 2 (1.47, 80 nm) / ZnS-SiO 2 (2.33, 88 nm) / SiO 2 (1.47, 80 nm) / ZnS-SiO 2 (2.33, 88 nm). Below, from the evaluation results of this prototype element, the feasibility of a plastic light guide plate in which an incident diffraction grating is formed on an emission diffraction grating made of an injection-molded substrate, which is the main point of this embodiment, by a 2P method or the like is shown.
(1) Performance of Incident Diffraction Grating Formed by 2P Method FIGS. 5A and 5B show diffraction patterns when a laser beam is vertically incident on the DVD-RAM substrate 401 described with reference to FIG. FIG. 5A is a pattern in the region where the 2P resin of the grating is not formed. FIG. 5B is a pattern in the region where the 2P resin of the grating is formed.

図5Aに見られるように,入射回折格子となるグレーティングを形成していない領域ではDVD-RAMの回折パターンが現れる。一方,2P法により,その上に形成した入射回折格子がある領域Aでは,図5Bに見られるようにDVD-RAMの回折パターンが消失し,入射回折格子の回折パターンが現れることが判る。これにより,本実施例の画像表示素子によって,回折格子パターンの上書きが可能であることが示された。
(2)反射コーティングの分光特性
図6は反射コーティングの反射率と透過率(縦軸)の波長(横軸)依存性を示す結果である。これはマスクスパッタリング法により,一部の領域のみに光学薄膜を積層した領域Bを評価したものである。図に見られるように,点線で示す設計値と実線で示す実測値は良好に一致しており,プラスチック製の導光板の上に光学薄膜によるコーティングを行なうことにより,波長依存反射膜の形成が可能なことが示された。
(3)反射コーティングつきの入射回折格子の結合特性
図7は反射コーティングを形成した入射回折格子(領域C)にレーザビームを入射した場合の透過レーザ光のパターンである。図に見られるように,入射ビームに対して,等間隔に複製ビームが整列して出射していることが判る。これは,入射回折格子によりレーザビームが回折され,導光板内を全反射伝搬すると共に,当該ビームが2回,3回,4回と入射回折格子に当たりながら,複製されており,かつ,入射ビームの波数を保存した状態で出射している様子を表している。これは1次元ではあるが,入射ビームの伝搬,複製,出射という導光板の基本機能が達成されたことを示す結果である。なお、領域Cの範囲を素子サイズとして点線で示している。
以上により,本実施例の画像表示素子が,仮想現実向けの導光板としての基本機能を満たすことが示された。
As can be seen in FIG. 5A, the diffraction pattern of the DVD-RAM appears in the region where the grating that serves as the incident diffraction grating is not formed. On the other hand, it can be seen that the diffraction pattern of the DVD-RAM disappears and the diffraction pattern of the incident diffraction grating appears in the region A where the incident diffraction grating formed on the 2P method is present, as shown in FIG. 5B. This shows that the image display element of this embodiment can overwrite the diffraction grating pattern.
(2) Spectral characteristics of the reflective coating FIG. 6 shows the results showing the wavelength (horizontal axis) dependence of the reflectance and the transmittance (vertical axis) of the reflective coating. This is an evaluation of the region B in which the optical thin film is laminated only on a part of the region by the mask sputtering method. As can be seen in the figure, the design value shown by the dotted line and the measured value shown by the solid line are in good agreement, and the wavelength-dependent reflective film is formed by coating the plastic light guide plate with an optical thin film. It was shown to be possible.
(3) Coupling Characteristics of Incident Diffraction Grating with Reflection Coating FIG. 7 shows a pattern of transmitted laser light when a laser beam is incident on an incident diffraction grating (region C) having a reflection coating formed. As can be seen in the figure, it can be seen that the duplicated beams are aligned and emitted at equal intervals with respect to the incident beam. This is because the laser beam is diffracted by the incident diffraction grating and totally reflected and propagated in the light guide plate, and the beam is duplicated while hitting the incident diffraction grating twice, three times, and four times, and the incident beam. It shows the state of emitting with the wave number of. Although this is one-dimensional, it is a result showing that the basic functions of the light guide plate such as propagation, duplication, and emission of the incident beam have been achieved. The range of the region C is shown by a dotted line as the element size.
From the above, it was shown that the image display element of this embodiment satisfies the basic function as a light guide plate for virtual reality.

ここでは,シミュレーションにより,本実施例の画像表示素子による投影像について調べ,本実施例に好適な,具体的構成について述べる。
1962年にG. H. Spencerらにより提唱された光線追跡法[G. H. Spencer and M. B. T. K. Murty,“General Ray-Tracing Procedure”,J. Opt. Soc. Am. 52,p.672 (1962).]は,光の粒子性に着目して経路を追跡することで,ある点において観測される像などを計算する手法であり,コンピュータグラフィックス分野を中心に精力的に改良が続けられている。
Here, the projected image by the image display element of this embodiment is investigated by simulation, and a specific configuration suitable for this embodiment is described.
The ray tracing method proposed by GH Spencer et al. In 1962 [GH Spencer and MBTK Murty, “General Ray-Tracing Procedure”, J. Opt. Soc. Am. 52, p.672 (1962).] It is a method to calculate the image observed at a certain point by tracking the path focusing on the particle nature, and it is being energetically improved mainly in the field of computer graphics.

光線追跡法に基づくモンテカルロ光線追跡法[I. Powell “Ray Tracing through sysytems containing holographic optical elements”,Appl. Opt. 31,pp.2259-2264 (1992).]は,回折や反射等による経路の分離を確率的に扱うことで,演算量の指数関数的な増大を防ぐ手法であり,回折と全反射伝搬を繰り返す導光板のシミュレーションに適している。モンテカルロ光線追跡法では反射や屈折を忠実に再現することができるが,回折に関しては適したモデルの開発が必須である。 The Monte Carlo ray tracing method based on the ray tracing method [I. Powell “Ray Tracing through sysytems containing holographic optical elements”, Appl. Opt. 31, pp.2259-2264 (1992).] This is a method to prevent the exponential increase in the amount of calculation by treating the ray tracing probabilistically, and is suitable for the simulation of a light guide plate that repeats diffraction and total reflection propagation. Although the Monte Carlo ray tracing method can faithfully reproduce reflections and refractions, it is essential to develop a suitable model for diffraction.

ヘッドマウントディスプレイ向けの導光板では,可視光全域に亘る波長範囲(約400-700nm)と,投影イメージの視野角40°に対応した入射角範囲に対応する回折モデルが必須となる。以下,本実施例で使用する回折モデルについて説明する。 For a light guide plate for a head-mounted display, a diffraction model corresponding to the wavelength range (about 400-700 nm) over the entire visible light range and the incident angle range corresponding to the viewing angle of 40 ° of the projected image is indispensable. Hereinafter, the diffraction model used in this embodiment will be described.

以下の説明では,光軸をz方向にとり,導光板は法線ベクトルがz方向にあり,表面もしくは裏面に少なくとも回折格子が形成されているとする。また,説明の簡素化のため,導光板に対して,プロジェクタ光学系と瞳は反対側に位置するとする。両者が導光板に対して,同じ側にある場合には,以下の波数ベクトルの議論において,導光板から出射する光線にx-y面ミラーによる反転操作を施せばよい。 In the following description, it is assumed that the optical axis is in the z direction, the normal vector of the light guide plate is in the z direction, and at least a diffraction grating is formed on the front surface or the back surface. Also, for the sake of simplification of the explanation, it is assumed that the projector optical system and the pupil are located on the opposite side of the light guide plate. When both are on the same side with respect to the light guide plate, in the following discussion of the wave vector, the light beam emitted from the light guide plate may be inverted by the xy plane mirror.

導光板に入射する光線の波数ベクトルを Wave vector of light rays incident on the light guide plate

Figure 0007096084000001
Figure 0007096084000001

とし,
出射する光線の波数ベクトルを
year,
Wave vector of the emitted ray

Figure 0007096084000002
Figure 0007096084000002

とする。 And.

投影される映像の情報は強度,波長,およびピクセル情報とから構成され,波長およびピクセル情報は目のレンズ作用によって光線の角度情報,すなわち波数ベクトルにより定められる。投影される映像の波長およびピクセル情報を保存するために,導光板には以下の作用が求められる(式(1))。 The information of the projected image is composed of intensity, wavelength, and pixel information, and the wavelength and pixel information are determined by the angle information of light rays, that is, the wave vector by the lens action of the eye. In order to store the wavelength and pixel information of the projected image, the light guide plate is required to have the following functions (Equation (1)).

Figure 0007096084000003
Figure 0007096084000003

光線の回折は,回折次数と回折格子の波数ベクトルの内積を光線の波数ベクトルに加算することによって表される。入射した光線と回折格子がn回目に交差するときの回折について,光線の波数ベクトルがkからk’になるとすると,次の関係が成り立つ(式(2))。 Diffraction of a ray is represented by adding the product of the diffraction order and the wave vector of the grating to the wave vector of the ray. Regarding the diffraction when the incident ray and the diffraction grating intersect the nth time, if the wave vector of the ray changes from kn to k'n , the following relationship holds (Equation (2)).

Figure 0007096084000004
Figure 0007096084000004

ここでmは回折次数,Kはn回目の交差点における回折格子の波数ベクトルである。 Here, mn is the diffraction order and K n is the wave vector of the diffraction grating at the nth intersection.

光線が回折格子とN回目の交差で回折し,導光板から出射する場合,式(1)より,以下の関係が成立する(式(3))。 When the light beam is diffracted at the Nth intersection with the diffraction grating and emitted from the light guide plate, the following relationship holds from Eq. (1) (Equation (3)).

Figure 0007096084000005
Figure 0007096084000005

これは,導光板の基本作用を表している。式(2)をx,y,zの各成分で表すと,以下(式(4)~(7))となる。 This represents the basic operation of the light guide plate. When equation (2) is expressed by each component of x, y, and z, it becomes the following (equations (4) to (7)).

Figure 0007096084000006
Figure 0007096084000006

ここでx,y,zの添え字は各波数ベクトルのx,y,z成分を表している。 Here, the subscripts of x, y, and z represent the x, y, and z components of each wave vector.

ここで, here,

Figure 0007096084000007
Figure 0007096084000007

のとき,波数ベクトルが虚数となるが,これは指定された条件で回折光線が発生しないことを示している。 At this time, the wave vector becomes an imaginary number, which indicates that no diffracted ray is generated under the specified conditions.

Figure 0007096084000008
Figure 0007096084000008

により回折光線の発生を以下のように定義する(式(8))。 The generation of diffracted rays is defined as follows (Equation (8)).

Figure 0007096084000009
Figure 0007096084000009

回折効率を Diffraction efficiency

Figure 0007096084000010
Figure 0007096084000010

とすると,エネルギー保存則により,以下(式(9))である。 Then, according to the law of conservation of energy, the following (Equation (9)) is obtained.

Figure 0007096084000011
Figure 0007096084000011

回折格子の波数ベクトルKとz軸の張る面内の入射角をθとして,回折光の有無と入射角依存性を考慮した回折効率 Diffraction efficiency considering the presence or absence of diffracted light and the dependence of the incident angle, where θ n is the angle of incidence in the plane where the wave vector K n of the diffraction grating and the z-axis extend.

Figure 0007096084000012
Figure 0007096084000012

を以下のようにモデル化する(式(10))。 Is modeled as follows (Equation (10)).

Figure 0007096084000013
Figure 0007096084000013

ここで,η mnは,n番目の交差点の回折次数mの垂直入射における回折効率である。式(10)の右辺第2項は回折光線の発生の有無に,第3項はエネルギー保存則に,第4項はγを定数とした入射角依存性に,それぞれ対応している。 Here, η 0 mn is the diffraction efficiency in the vertical incident of the diffraction order mn at the nth intersection. The second term on the right side of Eq. (10) corresponds to the presence or absence of the generation of diffracted rays, the third term corresponds to the energy conservation law, and the fourth term corresponds to the incident angle dependence with γ as a constant.

一方、モンテカルロ光線追跡法を採用する市販ソフトウェアとしては照明光学系の設計向けのLightTools(商標)等があるが,角度依存性は扱うことができないため,回折効率は以下となる(式(11))。 On the other hand, as commercial software that adopts the Monte Carlo ray tracing method, there is LightTools (trademark) for designing illumination optical systems, but since angle dependence cannot be handled, the diffraction efficiency is as follows (Equation (11)). ).

Figure 0007096084000014
Figure 0007096084000014

ここでは,入射回折格子と同じブレーズ型の回折格子としてEdmund 社製の1,800本/mm密度の市販素子#47-551を用い,波長532nmにおける入射角と回折効率の関係を測定した。 Here, a commercially available element # 47-551 manufactured by Edmund with a density of 1,800 threads / mm was used as the same blaze-type diffraction grating as the incident diffraction grating, and the relationship between the incident angle and the diffraction efficiency at a wavelength of 532 nm was measured.

図8に,1次回折効率の測定結果と式(10)に基づく回折モデルの比較結果を示す。黒丸で示す実験結果801から,正と負の1次回折光が共に発生する入射角度の範囲はプラスマイナス3°であった。図に見られるように+1次回折光は入射角-3°以上で発生し,+3°までは-1次回折光と併存し,+3°以上で-1次回折光が消失する。図中の従来モデル802は,式(11)の回折モデルを示しており,回折効率が入射角によらず一定であるため,入射角に応じて正と負の1次回折光の併存時,-1次光の消失時,および入射角の増大による回折効率の減少を表すことができない。一方,式(10)のモデル803では,ブレーズ回折格子の回折効率の角度依存性を簡潔に表すことが可能なことが判る。 FIG. 8 shows the measurement result of the primary diffraction efficiency and the comparison result of the diffraction model based on the equation (10). From the experimental result 801 shown by the black circle, the range of the incident angle at which both the positive and negative primary diffracted light are generated is plus or minus 3 °. As can be seen in the figure, the + 1st-order diffracted light is generated at an incident angle of -3 ° or more, coexists with the -1st-order diffracted light up to + 3 °, and the -1st-order diffracted light disappears at + 3 ° or more. The conventional model 802 in the figure shows the diffraction model of Eq. (11), and since the diffraction efficiency is constant regardless of the incident angle, when positive and negative primary diffracted light coexist depending on the incident angle,- It cannot represent the decrease in diffraction efficiency when the primary light disappears and when the angle of incidence increases. On the other hand, in the model 803 of the equation (10), it can be seen that the angle dependence of the diffraction efficiency of the blazed diffraction grating can be simply expressed.

式(10)のモデルを実装したモンテカルロシミュレータにより,本実施例の画像素子に好適なパラメータ条件について述べる。以下では,特に指定しない場合,次のシミュレーション条件を用いる。RGB光源の波長はR=635nm,G=550nm,B=460nm,光源の波長の広がりは各色共通で20nm,投影像のアスペクト比は16:9,画素数は1280x720,導光板に入射するビームの直径は4mm,目の瞳の直径は2mm,目と導光板の距離は17mmである。導光板に関しては,基本構成を特許文献1に記載のものとし,本実施例によりプラスチック化した導光板の屈折率は1.58,導光板の厚さは0.6mm,入射回折格子の大きさは5mmx5mm,出射回折格子の大きさは十分に大きいものとする。また,目,導光板のエッジでの光の反射を無視する。 The parameter conditions suitable for the image element of this embodiment are described by the Monte Carlo simulator that implements the model of Eq. (10). In the following, the following simulation conditions are used unless otherwise specified. The wavelength of the RGB light source is R = 635 nm, G = 550 nm, B = 460 nm, the wavelength spread of the light source is 20 nm for each color, the aspect ratio of the projected image is 16: 9, the number of pixels is 1280 x 720, and the beam incident on the light guide plate. The diameter is 4 mm, the diameter of the pupil of the eye is 2 mm, and the distance between the eye and the light source plate is 17 mm. Regarding the light guide plate, the basic configuration is described in Patent Document 1, the refractive index of the light guide plate plasticized according to this embodiment is 1.58, the thickness of the light guide plate is 0.6 mm, and the size of the incident diffraction grating. Is 5 mm x 5 mm, and the size of the emission diffraction grating is sufficiently large. Also, ignore the reflection of light at the edges of the eyes and light guide plate.

図9A~図9Cは出射回折格子のピッチと投影可能な画像のピクセル範囲との関係を示している。ここで縦軸の画素率とは,入・出射回折格子による回折と全反射により瞳に到達する光線の経路が1以上の画素の割合を示し,画素率が1より小さい場合,投影像の一部に欠落が生ずることを意味している。画素率は経路の有無だけで求めることができるため,各回折格子の回折効率や導光板の厚さに依存せずに,導光板の特性を把握できるという利点がある。 9A-9C show the relationship between the pitch of the exit diffraction grating and the pixel range of the projectable image. Here, the pixel ratio on the vertical axis indicates the ratio of pixels in which the path of the light rays reaching the pupil by diffraction by the input / output diffraction grating and total reflection is 1 or more, and when the pixel ratio is smaller than 1, one of the projected images. It means that there will be a gap in the part. Since the pixel ratio can be obtained only by the presence or absence of a path, there is an advantage that the characteristics of the light guide plate can be grasped without depending on the diffraction efficiency of each diffraction grating or the thickness of the light guide plate.

図9Aは視野角40度の場合の結果である。RGBの各色の波長に応じて,画素率が1となる範囲に違いが生じることが判る。これは,回折格子が強い波長依存性をもつことに対応している。図中に2本矢印で示した条件,回折格子ピッチ約390nm,および470nmからなる、BGとGRに対応する2つの導光板を組み合わせることで,RGB画像の画素率が1となり,画像の投影が可能なことが判る。 FIG. 9A is a result when the viewing angle is 40 degrees. It can be seen that there is a difference in the range in which the pixel ratio is 1 depending on the wavelength of each color of RGB. This corresponds to the fact that the diffraction grating has a strong wavelength dependence. By combining the two light guide plates corresponding to BG and GR, which have the conditions indicated by the two arrows in the figure, the diffraction grating pitch of about 390 nm, and 470 nm, the pixel ratio of the RGB image becomes 1, and the projection of the image becomes 1. It turns out that it is possible.

図9Bは視野角50度の場合の結果である。視野角の増大に応じて,画素率が1となる回折格子のピッチの範囲が狭くなることが判る。各色で画素率が1となる回折格子のピッチの中央値は,それぞれ約360,440,520nmである。図中に3本矢印で示した回折格子ピッチをもつ、B,G,Rそれぞれに対応する3枚の導光板を組み合わせることで,全画面の画像投影が可能なことが判る。 FIG. 9B is a result when the viewing angle is 50 degrees. It can be seen that the range of the pitch of the diffraction grating at which the pixel ratio is 1 becomes narrower as the viewing angle increases. The median value of the pitch of the diffraction grating in which the pixel ratio is 1 for each color is about 360, 440, and 520 nm, respectively. It can be seen that full-screen image projection is possible by combining three light guide plates corresponding to each of B, G, and R, which have the diffraction grating pitch indicated by the three arrows in the figure.

図9Cは視野角70度の場合の結果である。視野角の増大に応じて,画素率が小さくなり,最大値は1未満となることが判る。これは,1つの回折格子ピッチを有する導光板では,RGBのいずれかの色の画像を全面に投影できないことを意味している。この場合,2つ以上の導光板で表示画像の領域を分担することで,R+G+B≧1とすることで,全画面の画像の投影が可能となる。図中の4本の矢印で示した4枚の導光板を組み合わせることで,全画面の画像投影が可能になる。4枚の導光板は、例えばBの短波長領域、Bの長波長領域およびGの短波長領域、Gの長波長領域およびRの短波長領域、およびRの長波長領域に対応する。いずれにしても、回折格子ピッチ300nm~550nmの範囲で、異なる回折格子ピッチを持つ複数の回折格子に可視波長領域を分担させる。 FIG. 9C is a result when the viewing angle is 70 degrees. It can be seen that as the viewing angle increases, the pixel ratio decreases and the maximum value becomes less than 1. This means that a light guide plate having one diffraction grating pitch cannot project an image of any of RGB colors on the entire surface. In this case, by sharing the area of the display image with two or more light guide plates and setting R + G + B ≧ 1, it is possible to project a full-screen image. By combining the four light guide plates indicated by the four arrows in the figure, full-screen image projection becomes possible. The four light guide plates correspond to, for example, a short wavelength region of B, a long wavelength region of B and a short wavelength region of G, a long wavelength region of G and a short wavelength region of R, and a long wavelength region of R. In any case, the visible wavelength region is shared by a plurality of diffraction gratings having different diffraction grating pitches in the range of the diffraction grating pitch of 300 nm to 550 nm.

以下,同様に本実施例の導光板では,投影する画像の視野角に応じて回折格子のピッチと枚数を適切に設定することができる。本実施例では導光板を低コストで提供することを目的としているため,基板材料として用いられるプラスチック材料の屈折率は最大で1.7程度である。基板材料の屈折率が大きくなると,それに略反比例した回折格子ピッチを選択することで,表示する画像範囲を最大化することが可能である。このとき,画素率が1となる範囲も大きくなるため,結果として,基板材料の屈折率が大きいものを選択することで,大きな視野角の画像投影が可能となる。プラスチック材料に限定した場合,本実施例で対応可能な視野角の最大値は80度程度である。導光板を低コストで提供するためには,導光板数を1枚にすることが望ましい。図10以下でこのときの視野角と画素率の関係を述べる。 Hereinafter, similarly, in the light guide plate of the present embodiment, the pitch and the number of diffraction gratings can be appropriately set according to the viewing angle of the projected image. Since the purpose of this embodiment is to provide the light guide plate at low cost, the refractive index of the plastic material used as the substrate material is about 1.7 at the maximum. When the refractive index of the substrate material increases, it is possible to maximize the image range to be displayed by selecting a diffraction grating pitch that is approximately inversely proportional to it. At this time, the range in which the pixel ratio becomes 1 also becomes large, and as a result, by selecting a substrate material having a large refractive index, it is possible to project an image with a large viewing angle. When limited to plastic materials, the maximum viewing angle that can be handled in this embodiment is about 80 degrees. In order to provide the light guide plate at low cost, it is desirable that the number of light guide plates is one. The relationship between the viewing angle and the pixel ratio at this time will be described in FIG. 10 and below.

図10A~図10Cは出射回折格子ピッチと画素率の関係を示す別のシミュレーション結果であり,図10A,B,Cはそれぞれ視野角30,25,20度の場合を示している。図中に示した矢印は,1枚の導光板でRGB画像を投影するのに好適な回折格子ピッチの条件であり,ほぼRとBの特性の交点に対応する。この例の場合,基板の屈折率が1.58のときに425nmを中心にプラスマイナス25nm程度(400nm~450nm)である。図10A~図10Cに見られるように,本実施例によれば,1枚の導光板で概略25度まで,画像の投影が可能なことが判る。ただし,図10B~図10Cのように視野角が大きくなると,赤色画像(R)あるいは青色画像(B)の一部が表示されなくなる場合がある。 10A to 10C are other simulation results showing the relationship between the emission diffraction grating pitch and the pixel ratio, and FIGS. 10A, B, and C show the case where the viewing angles are 30, 25, and 20 degrees, respectively. The arrows shown in the figure are conditions of the diffraction grating pitch suitable for projecting an RGB image with one light guide plate, and substantially correspond to the intersection of the characteristics of R and B. In the case of this example, when the refractive index of the substrate is 1.58, it is about plus or minus 25 nm (400 nm to 450 nm) centered on 425 nm. As can be seen in FIGS. 10A to 10C, according to this embodiment, it can be seen that an image can be projected up to approximately 25 degrees with one light guide plate. However, when the viewing angle becomes large as shown in FIGS. 10B to 10C, a part of the red image (R) or the blue image (B) may not be displayed.

図11Aおよび図11Bは視野角25度の場合の画素率を示すシミュレーション結果である。ここでは,波長ごとの画素率を輝度で表示している。図中で,輝度が高い領域が白、輝度が低い領域が灰色で示されている。 11A and 11B are simulation results showing the pixel ratio when the viewing angle is 25 degrees. Here, the pixel ratio for each wavelength is displayed by luminance. In the figure, the area with high brightness is shown in white and the area with low brightness is shown in gray.

図11Aは,基板の屈折率1.58,回折格子ピッチ425nmの結果である。図中の白色領域1101は,RGBの全ての画像を表示できることを示す。図中,上部の灰色領域1102は青色画像(B)が表示されない領域,下部の灰色領域1103は赤色画像(R)が表示されない領域を示している。 FIG. 11A shows the results of the substrate having a refractive index of 1.58 and a diffraction grating pitch of 425 nm. The white area 1101 in the figure indicates that all RGB images can be displayed. In the figure, the upper gray area 1102 shows the area where the blue image (B) is not displayed, and the lower gray area 1103 shows the area where the red image (R) is not displayed.

図11Bは,基板の屈折率1.70,回折格子ピッチ395nmの結果であり,全ての領域1104でRGB画像の投影が可能であることが判る。これは,前述のように基板の屈折率を大きくすることにより,導光板内を全反射により導光可能な光線の波数ベクトルの角度範囲が大きくなることに対応したものである。このとき,回折格子ピッチは,屈折率に略反比例,好ましくは屈折率の平方根に反比例したものを選択すると良い。ここに示した結果は,後者の関係により回折格子ピッチを定めたものである。 FIG. 11B shows the results of the substrate having a refractive index of 1.70 and a diffraction grating pitch of 395 nm, and it can be seen that an RGB image can be projected in all regions 1104. This corresponds to the fact that by increasing the refractive index of the substrate as described above, the angle range of the wave vector of the light beam that can be guided by total internal reflection in the light guide plate becomes large. At this time, it is preferable to select a diffraction grating pitch that is substantially inversely proportional to the refractive index, preferably inversely proportional to the square root of the refractive index. The results shown here determine the diffraction grating pitch based on the latter relationship.

ヘッドマウントディスプレイ向けの導光板では,入射回折格子の回折効率は投影像の輝度と消費電力の観点から10%~80%の範囲,好ましくは30%~70%の範囲の1次回折効率を有することが望ましい。一方,出射回折格子は,光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため,0.1%~10%,好ましくは0.2~7.5%、さらに好ましくは0.5~5%の1次回折効率を有することが望ましい。回折格子の回折効率は形成された周期的凹凸パターンのピッチ,高さ,形状によって定められる。DVDやBD等のように光ディスクとして量産されているものプロセス技術を活用して,導光板を作成するためには,回折格子のピッチ,高さ,形状について,プロセス技術の適合性について議論する必要がある。 In a light guide plate for a head-mounted display, the diffraction efficiency of the incident diffraction grating has a primary diffraction efficiency in the range of 10% to 80%, preferably in the range of 30% to 70% from the viewpoint of the brightness and power consumption of the projected image. Is desirable. On the other hand, since the emission diffraction grating carries out duplication of light rays and emission from the light guide plate over a wide area, it is 0.1% to 10%, preferably 0.2 to 7.5%, and more preferably 0. It is desirable to have a primary diffraction efficiency of 5-5%. The diffraction efficiency of the diffraction grating is determined by the pitch, height, and shape of the formed periodic uneven pattern. Mass-produced optical discs such as DVDs and BDs In order to create a light guide plate using process technology, it is necessary to discuss the suitability of process technology regarding the pitch, height, and shape of the diffraction grating. There is.

広く普及しているDVD,BD等の光ディスクでは,ポリカーボネート材料が用いられている。射出成型法で形成されたポリカーボネート基板の表面には光スポットの案内溝として320nm(25GB容量BD)から740nm(4.7GB容量DVD)のピッチで,深さ10~100nmの周期的な凹凸パターンが光スポットの案内溝やコーディングされたデータとして形成されている。ポリカーボネート基板の表面にスパッタリング法で光学薄膜をコーティングすることにより,再生専用や書換え型の光ディスクは量産されており,基板は安価に供給されている。 Polycarbonate materials are used in optical discs such as DVDs and BDs that are widely used. On the surface of the polycarbonate substrate formed by the injection molding method, a periodic uneven pattern with a depth of 10 to 100 nm is emitted at a pitch of 320 nm (25 GB capacity BD) to 740 nm (4.7 GB capacity DVD) as a guide groove for light spots. It is formed as a guide groove of a spot or as coded data. By coating the surface of a polycarbonate substrate with an optical thin film by a sputtering method, reproduction-only and rewritable optical discs are mass-produced, and the substrates are supplied at low cost.

また,光ディスクにはデータ面を2層にすることで,記録容量を増加したものがあり,映画のDVDやBDはほぼ全てが2層化されている。第2層はポリカーボネート基板の上に2P(Photo Polymerization)法によりUV効果樹脂で凹凸パターンが形成される。光ディスクの量産プロセスを活用することにより,低コストで導光板を作成できる。このとき,重量はガラスの比重2.5に比較してポリカーボネートは1.2のため1/2以下に軽量化できる。 In addition, some optical discs have a double-layered data surface to increase the recording capacity, and almost all DVDs and BDs of movies have two-layered data. In the second layer, an uneven pattern is formed on a polycarbonate substrate with a UV effect resin by a 2P (Photo Polymerization) method. By utilizing the mass production process of optical discs, light guide plates can be manufactured at low cost. At this time, the weight of polycarbonate is 1.2 compared to the specific density of glass of 2.5, so the weight can be reduced to 1/2 or less.

図12は光ディスクの量産プロセス技術を本実施例の導光板に活用するための適合性についてまとめたものである。図中の導光板のパラメータは,上に示したシミュレーション結果に基づくものである。これらのパラメータは投影する画像のアスペクト比や視野角により適正な値が変化するものであり,本実施例の導光板に適正なパラメータが図中の数値に限定される訳ではないことを明記しておく。図中,材料,厚さ,屈折率,出射および入射の回折格子のピッチに関しては,本実施例の導光板は光ディスクとして量産されているものの条件の範囲内にあり,適合性が高いことが判る。これは両者が可視光を光源として用い,画質や記録容量を最大にするために,回折限界に近い回折格子(凹凸パターン)を採用しているためである。 FIG. 12 summarizes the suitability for utilizing the mass production process technique of the optical disc for the light guide plate of this embodiment. The parameters of the light guide plate in the figure are based on the simulation results shown above. Appropriate values of these parameters change depending on the aspect ratio and viewing angle of the projected image, and it is clearly stated in the light guide plate of this embodiment that the appropriate parameters are not limited to the numerical values in the figure. Keep it. In the figure, regarding the material, thickness, refractive index, emission and incident diffraction grating pitch, it can be seen that the light guide plate of this embodiment is within the range of the conditions although it is mass-produced as an optical disk, and has high compatibility. .. This is because both use visible light as a light source and employ a diffraction grating (unevenness pattern) that is close to the diffraction limit in order to maximize image quality and recording capacity.

出射回折格子に関しては,光ディスクの案内溝と同じ矩形の断面形状で実現でき,パターンの高さも同等であるから,射出成型プロセスをそのまま活用することが可能である。入射回折格子に関しては,光利用効率を高めるために高さが200~400nm程度の三角形の断面形状をもつブレーズ型回折格子が本実施例の導光板に適しているため,射出成型法の適合性はやや劣ると判断される。一方で,2P法は粘度の低いUV硬化樹脂を用いるためパターンの転写性に優れており,入射回折格子の形成には2P法が適していると言える。前述の試作素子は,射出成型法で作成されたポリカーボネート製の光ディスク基板の上に,2P法によりブレーズ型回折格子を形成し,それが導波と光線の複製という導光板の基本機能をもつことを示している。したがって,図中の入射回折格子の形成に光ディスクのプロセス技術である2P法を活用することが可能であることが証明されている。 The emission diffraction grating can be realized with the same rectangular cross-sectional shape as the guide groove of the optical disk, and the height of the pattern is also the same, so that the injection molding process can be used as it is. Regarding the incident diffraction grating, the blaze type diffraction grating having a triangular cross-sectional shape with a height of about 200 to 400 nm is suitable for the light guide plate of this embodiment in order to improve the light utilization efficiency, and therefore the suitability of the injection molding method. It is judged to be slightly inferior. On the other hand, since the 2P method uses a UV curable resin having a low viscosity, the transferability of the pattern is excellent, and it can be said that the 2P method is suitable for forming an incident diffraction grating. The above-mentioned prototype element has a blaze-type diffraction grating formed by a 2P method on a polycarbonate optical disk substrate produced by an injection molding method, which has the basic functions of a light guide plate of waveguide and light beam duplication. Is shown. Therefore, it has been proved that it is possible to utilize the 2P method, which is a process technique of an optical disk, for forming an incident diffraction grating in the figure.

投影像の輝度と画質は主として出射グレーティングの回折効率によって支配される。次に回折効率と凹凸パターンの高さの関係について,さらに詳細に述べる。 The brightness and image quality of the projected image are mainly dominated by the diffraction efficiency of the exit grating. Next, the relationship between the diffraction efficiency and the height of the uneven pattern will be described in more detail.

図13は電磁場計算(FDTD法;Finite Differential Time Domain法)により求めた出射回折格子の高さと回折効率の関係を示している。ここでは,RGB波長帯の中央である緑色に対応して波長を550nm,回折格子のパターンのピッチを440nmとし,グレーティングの形状は矩形とした。 FIG. 13 shows the relationship between the height of the emission diffraction grating obtained by the electromagnetic field calculation (FDTD method; Fine Diffractive Time Domain method) and the diffraction efficiency. Here, the wavelength is 550 nm, the pitch of the pattern of the diffraction grating is 440 nm, and the shape of the grating is rectangular, corresponding to green, which is the center of the RGB wavelength band.

グレーティングの高さは位相差として光ビームに作用する。これを反映して,結果は減衰振動型の周期応答を示している。出射グレーティングとして実用的な領域は,位相差が概略λ/4以下となる200nmまでの高さの範囲であり,回折効率の最大値は約7%であることが判る。図13から出射回折格子の1次回折効率の目安は、0.1%~7.5%、好ましくは0.5%~5.0%程度である。前述のように,光ディスクのプロセス技術を応用する場合,回折格子の凹凸パターンの高さは100nm程度,すなわち回折効率4%程度以下が適すると言える。 The height of the grating acts on the light beam as a phase difference. Reflecting this, the results show a damped vibration type periodic response. It can be seen that the practical region for the emission grating is the range of the height up to 200 nm in which the phase difference is approximately λ / 4 or less, and the maximum value of the diffraction efficiency is about 7%. From FIG. 13, the standard of the primary diffraction efficiency of the emission diffraction grating is about 0.1% to 7.5%, preferably about 0.5% to 5.0%. As described above, when the process technology of the optical disk is applied, it can be said that the height of the uneven pattern of the diffraction grating is about 100 nm, that is, the diffraction efficiency is about 4% or less.

図14Aおよび図14Bは出射回折格子の回折効率と投影像の輝度と輝度ムラの関係を計算した結果である。波長と出射回折格子のピッチ条件は上と同じとし,投影像の画角は40度とした。導光板の厚さは「特許文献1」に対応して一般的なガラス製の基板厚さ1.0mm,およびDVDの基板厚さである0.6mm,およびBlu-ray Discのカバー層の厚さ0.1mmの3種類である。 14A and 14B are the results of calculating the relationship between the diffraction efficiency of the emission diffraction grating and the luminance and luminance unevenness of the projected image. The wavelength and the pitch condition of the emission diffraction grating were the same as above, and the angle of view of the projected image was 40 degrees. The thickness of the light guide plate corresponds to "Patent Document 1", that is, a general glass substrate thickness of 1.0 mm, a DVD substrate thickness of 0.6 mm, and a Blu-ray Disc cover layer thickness. There are three types with a diameter of 0.1 mm.

図14Aは出射グレーティングの回折効率と,投影像の中央の輝度の関係を示す。図中の縦軸は,光利用効率に比例したものである。図中に矢印で示す3点はそれぞれ中央輝度が最大となる条件であり,基板厚さ0.1mm,0.6mm,1.0mmの場合にそれぞれ,回折効率は0.7%,3.5%,5.5%である。 FIG. 14A shows the relationship between the diffraction efficiency of the emission grating and the brightness at the center of the projected image. The vertical axis in the figure is proportional to the light utilization efficiency. The three points indicated by the arrows in the figure are the conditions for maximizing the central brightness, and the diffraction efficiencies are 0.7% and 3.5, respectively, when the substrate thickness is 0.1 mm, 0.6 mm, and 1.0 mm, respectively. %, 5.5%.

導光板の厚さが厚くなると大きな回折効率で最大輝度が得られることが判る。これは,光線と出射グレーティングの交差する回数が,導光板の厚さに反比例するという幾何的な条件を反映したものである。 It can be seen that the maximum brightness can be obtained with a large diffraction efficiency as the thickness of the light guide plate becomes thicker. This reflects the geometric condition that the number of intersections of the light beam and the emission grating is inversely proportional to the thickness of the light guide plate.

図14Bは出射回折格子の回折効率と投影像の輝度のRMS(Root Mean Square:二乗平均平方根)値の関係を示している。図中の縦軸は,中央輝度で規格化した相対値である。図中に矢印で示す3点はそれぞれ輝度のRMS値が最小,すなわち輝度ムラが最小となる条件であり,基板厚さ0.1mm,0.6mm,1.0mmの場合にそれぞれ,回折効率は0.3%,1.7%,2.3%である。 FIG. 14B shows the relationship between the diffraction efficiency of the emission diffraction grating and the RMS (Root Mean Square) value of the brightness of the projected image. The vertical axis in the figure is the relative value standardized by the central brightness. The three points indicated by the arrows in the figure are the conditions under which the RMS value of the luminance is the minimum, that is, the luminance unevenness is the minimum, and the diffraction efficiency is the same when the substrate thickness is 0.1 mm, 0.6 mm, and 1.0 mm, respectively. It is 0.3%, 1.7%, and 2.3%.

このように,中央輝度と輝度のRMS値は最良となる条件が一致しないことが判る。したがって,輝度を優先する用途と,輝度ムラを優先する用途に応じて出射回折格子の回折効率を適切に選択することが好ましい。 As described above, it can be seen that the conditions in which the central brightness and the RMS value of the brightness are the best do not match. Therefore, it is preferable to appropriately select the diffraction efficiency of the emission diffraction grating according to the application in which the luminance is prioritized and the application in which the luminance unevenness is prioritized.

選択手法の一例としては,所定の導光板の厚さにおいて,像中央の輝度が最大となる条件と,輝度ムラが最小となる条件の間に回折効率を設定する。例えば,投影像の画角が40度の条件において,基板厚さ0.1mmでは,本実施例が提示する出射回折格子の回折効率の範囲では,0.3%から5.5%の間である。本実施例によれば,投影像の画角や導光板に入射するビームの直径等の条件に応じて,先に提示したシミュレーション方法を用いて,出射回折格子の適切な回折効率を定めることができる。 As an example of the selection method, the diffraction efficiency is set between the condition where the brightness at the center of the image is maximized and the condition where the brightness unevenness is minimized at a predetermined light guide plate thickness. For example, under the condition that the angle of view of the projected image is 40 degrees, when the substrate thickness is 0.1 mm, the diffraction efficiency of the emission diffraction grating presented in this embodiment is between 0.3% and 5.5%. be. According to this embodiment, the appropriate diffraction efficiency of the emission diffraction grating can be determined by using the simulation method presented above according to the conditions such as the angle of view of the projected image and the diameter of the beam incident on the light guide plate. can.

以上により,導光板では回折格子のピッチと回折効率の他に,基板の厚さが投影像の画質に重要な関与をすることが判った。同時に,中央輝度と輝度ムラが出射グレーティングの回折効率に対してトレードオフの関係にあることを示した。本実施例では,光ディスクのプロセス技術の活用により,安価に導光板を提供することを目的としている。 From the above, it was found that in the light guide plate, in addition to the pitch and diffraction efficiency of the diffraction grating, the thickness of the substrate plays an important role in the image quality of the projected image. At the same time, it was shown that the central luminance and the luminance unevenness have a trade-off relationship with the diffraction efficiency of the emission grating. The purpose of this embodiment is to provide a light guide plate at low cost by utilizing the process technology of an optical disc.

図12の説明にて,図中の数値が本発明の技術範囲を限定しない旨を述べたが,この理由は,基板の厚さが画質を左右する重要なパラメータであることに依っている。同時に,本実施例の導光板として,出射回折格子の回折効率を高めたい用途で,かつ凹凸パターンの高さがプロセス技術の条件範囲と適合しない場合,基板を薄くすることで,実効的に回折効率を増大させることにより解決可能なことを示した。 In the explanation of FIG. 12, it was stated that the numerical values in the figure do not limit the technical scope of the present invention, but the reason is that the thickness of the substrate is an important parameter that affects the image quality. At the same time, as the light guide plate of this embodiment, if the purpose is to increase the diffraction efficiency of the emission diffraction grating and the height of the uneven pattern does not meet the condition range of the process technology, the substrate can be made thinner to effectively diffract. It was shown that it can be solved by increasing the efficiency.

図15は光ディスクの量産プロセスを活用した,複数波長に対応する導光板を形成するプロセス全体を示す摸式図である。
(ステップ1)では,EB描画法等で作成したSiマスターから,入射回折格子用の母型301と出射回折格子用の母型302を準備する。続いて(ステップ2)で出射回折格子用の母型302と射出成型法により,出射回折格子303を形成したポリカーボネートの基板304を作成する。その上に(ステップ3)で入射回折格子用の母型301と2P法により入射回折格子を形成することで1枚の導光板1500を作成する。最後に(ステップ4)で,必要に応じてRGBの各色に対応した導光板1500を複数枚組み合わせて,本実施例の導光板を完成させる。
FIG. 15 is a schematic diagram showing the entire process of forming a light guide plate corresponding to a plurality of wavelengths by utilizing the mass production process of an optical disc.
In (step 1), a master die 301 for an incident diffraction grating and a master die 302 for an emission diffraction grating are prepared from a Si master created by an EB drawing method or the like. Subsequently, in (step 2), the polycarbonate substrate 304 on which the emission diffraction grating 303 is formed is produced by the mother mold 302 for the emission diffraction grating and the injection molding method. In (step 3), a mother die 301 for an incident diffraction grating and an incident diffraction grating are formed by the 2P method to produce one light guide plate 1500. Finally, in (step 4), a plurality of light guide plates 1500 corresponding to each color of RGB are combined as needed to complete the light guide plate of this embodiment.

図16は本実施例の入射回折格子の作成プロセスを示す摸式図である。図16の上半分ではまず、予めEB描画法等を用いてSi等の上に凹凸パターンを形成した入射回折格子のマスター(母型)1601を準備する。2P法用の樹脂スタンパとなる母型301Rは以下により準備する。マスター1601の上に粘土やパターンの転写性等を考慮して選択したUV硬化樹脂1602を滴下した後,透明基板1603を用いて(A)加圧する。ついで,(B)紫外線による露光,(C)剥離を順次行って,樹脂スタンパ301Rを準備する。ここで用いるUV露光装置としてはコンベア式露光装置等を選択することができる。 FIG. 16 is a schematic diagram showing the process of creating an incident diffraction grating of this embodiment. In the upper half of FIG. 16, first, a master (mother mold) 1601 of an incident diffraction grating in which an uneven pattern is formed on Si or the like in advance by using an EB drawing method or the like is prepared. The mother die 301R, which is a resin stamper for the 2P method, is prepared as follows. After dropping the UV curable resin 1602 selected in consideration of the transferability of clay and the pattern onto the master 1601, the transparent substrate 1603 is used to pressurize (A). Then, (B) exposure with ultraviolet rays and (C) peeling are sequentially performed to prepare the resin stamper 301R. As the UV exposure apparatus used here, a conveyor type exposure apparatus or the like can be selected.

図16の下半分では,予め射出成型法で出射回折格子を形成したポリカーボネート基板304Rの上に入射回折格子307Rを形成するプロセスを示す。樹脂スタンパ301Rの剥離性を高めるために,予め樹脂スタンパ表面に金属剥離層としてTi膜等を30nm程度成膜しておくとよい。 The lower half of FIG. 16 shows a process of forming an incident diffraction grating 307R on a polycarbonate substrate 304R on which an emission diffraction grating is previously formed by an injection molding method. In order to improve the peelability of the resin stamper 301R, it is advisable to form a Ti film or the like as a metal peeling layer on the surface of the resin stamper in advance by about 30 nm.

出射回折格子303が形成された基板304Rに,UV硬化樹脂1604を滴下した後,(D)加圧,(E)紫外線による露光,(F)剥離を順次行い入射回折格子307Rを形成する。ここで用いるUV硬化樹脂1604は,剥離性や転写性に加えて屈折率を考慮して,上述のUV硬化樹脂1602と別のUV硬化樹脂を用いることができる。 After dropping the UV curable resin 1604 onto the substrate 304R on which the emission diffraction grating 303 is formed, (D) pressurization, (E) exposure with ultraviolet rays, and (F) peeling are sequentially performed to form an incident diffraction grating 307R. As the UV curable resin 1604 used here, a UV curable resin different from the above-mentioned UV curable resin 1602 can be used in consideration of the refractive index in addition to the peelability and transferability.

一般のUV硬化樹脂の屈折率は1.5程度であり,ポリカーボネートの屈折率1.58との差が小さいため,下地の凹凸パターンにより発生する位相差が小さく,回折は1/10以下に抑制される。しかしながら,画質を優先する場合,下地である出射回折格子303の凹凸パターンによる回折は限りなくゼロに近いことが好ましい。この場合には,選択するUV樹脂として屈折率が基板材料に近いものを選択することが有効である。 Since the refractive index of general UV curable resin is about 1.5 and the difference from the refractive index of polycarbonate is small, the phase difference generated by the uneven pattern of the base is small, and diffraction is suppressed to 1/10 or less. Will be done. However, when giving priority to image quality, it is preferable that the diffraction due to the uneven pattern of the emission diffraction grating 303, which is the base, is as close to zero as possible. In this case, it is effective to select a UV resin having a refractive index close to that of the substrate material.

また,前述の反射コーティングは,後から形成した出射回折格子303の凹凸パターンに沿って成膜されるため,実効的に下地の出射回折格子の凹凸パターンの影響を小さくする効果も併せ持つ。また,入射回折格子307Rを形成する領域には,予め出射回折格子303を形成せずに平坦面としておく方法も有効である。さらには,入射回折格子307のUV樹脂と基板材料との密着性を考慮して,例えば240nm程度以下で,可視光波長に対して回折しない条件の狭ピッチの凹凸パターンを形成する方法も効果をもつ。 Further, since the above-mentioned reflection coating is formed along the uneven pattern of the emission diffraction grating 303 formed later, it also has the effect of effectively reducing the influence of the uneven pattern of the underlying emission diffraction grating. Further, it is also effective to make a flat surface in the region where the incident diffraction grating 307R is formed without forming the emission diffraction grating 303 in advance. Furthermore, considering the adhesion between the UV resin of the incident diffraction grating 307 and the substrate material, a method of forming a narrow-pitch uneven pattern under conditions that do not diffract with respect to the visible light wavelength, for example, at about 240 nm or less is also effective. Have.

前述の試作素子では,UV樹脂はどちらも同じものを用いた。この後,前述の反射コーティング,ユーザが装着したときのシースルー性を高める目的で反射防止コーティング等を適宜形成する。また,射出成型で作成した基板の表面には,光ディスクで広く用いられるSiOナノ粒子等による撥水,撥油,傷防止処理を予め施しておくことも容易に適用可能である。 In the above-mentioned prototype element, the same UV resin was used for both. After that, the above-mentioned antireflection coating, antireflection coating, etc. are appropriately formed for the purpose of enhancing the see-through property when worn by the user. Further, it is easily applicable to preliminarily apply water-repellent, oil-repellent, and scratch-preventing treatments such as SiO 2 nanoparticles, which are widely used in optical discs, to the surface of the substrate produced by injection molding.

次に,導光板に入射するビームの直径に応じて,本実施例の導光板の厚さに適正値があることを示す。入射するビームの直径および出射回折格子の回折効率以外のパラメータは上と同様である。 Next, it is shown that the thickness of the light guide plate of this embodiment has an appropriate value according to the diameter of the beam incident on the light guide plate. Parameters other than the diameter of the incident beam and the diffraction efficiency of the exit diffraction grating are the same as above.

図17は,入射するビームの直径4mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果である。ここでは,出射回折格子の1次回折効率を1.7%とした。導光板の厚さTを、(a)2.0mm、(b)1.0mm、(c)0.6mm、(d)0.3mm、(e)0.1mm、と変化させた結果である。 FIG. 17 shows the calculation result of the image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 4 mmφ. Here, the primary diffraction efficiency of the emission diffraction grating is set to 1.7%. This is the result of changing the thickness T of the light guide plate to (a) 2.0 mm, (b) 1.0 mm, (c) 0.6 mm, (d) 0.3 mm, and (e) 0.1 mm. ..

図17(a)にみられるように,導光板の厚さTが2.0mmの場合,出射回折格子による像の複製作用が回折パターンとして分離されていることが判る。導光板を薄くすることによって,上に述べた幾何的な理由により回折パターンの間隔が小さくなり,基板厚0.6mm以下では回折パターンが重なることが判る。 As can be seen in FIG. 17A, when the thickness T of the light guide plate is 2.0 mm, it can be seen that the image duplication action by the emission diffraction grating is separated as a diffraction pattern. It can be seen that by making the light guide plate thinner, the interval between the diffraction patterns becomes smaller due to the geometrical reason described above, and the diffraction patterns overlap when the substrate thickness is 0.6 mm or less.

図18Aおよび図18Bに、投影される像の品質として,輝度のRMS値と最大値をまとめた結果を示す。
図18Aに見られるように輝度のRMS値は基板厚が0.5mmから1.0mmの範囲において10%以下となって良好であることが判る。一方で,図18Bに見られるように、最大輝度は基板厚が薄いほど大きくなり,導光板の厚さが0.2mmで最大となる。上の回折効率と同様に,導光板の厚さに関しても,最大輝度と輝度ムラはトレードオフの関係あり,用途に応じて適した値を選択することが可能である。
18A and 18B show the results of summarizing the RMS value and the maximum value of the luminance as the quality of the projected image.
As can be seen in FIG. 18A, it can be seen that the RMS value of the luminance is good as 10% or less in the range of the substrate thickness of 0.5 mm to 1.0 mm. On the other hand, as seen in FIG. 18B, the maximum brightness increases as the substrate thickness becomes thinner, and becomes maximum when the thickness of the light guide plate is 0.2 mm. Similar to the above diffraction efficiency, regarding the thickness of the light guide plate, there is a trade-off relationship between the maximum luminance and the uneven luminance, and it is possible to select a suitable value according to the application.

図19は,入射するビームの直径1mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果である。導光板の厚さTを、(a)2.0mm、(b)1.0mm、(c)0.6mm、(d)0.3mm、(e)0.1mm、と変化させた結果である。 FIG. 19 shows the calculation result of the image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 1 mmφ. This is the result of changing the thickness T of the light guide plate to (a) 2.0 mm, (b) 1.0 mm, (c) 0.6 mm, (d) 0.3 mm, and (e) 0.1 mm. ..

投影光学系の大きさは概ね入射するビームの直径に比例すると考えてよいので,ここに示す結果は、本実施例の導光板を小型のヘッドマウントディスプレイに適応した場合のものである。ここでは,出射回折格子の1次回折効率を0.85%とした。光線の伝搬角度は回折格子のピッチと入射光の角度と波長で定まるため,これらが一定の場合,光線が網膜に投影されるまでに出射回折格子と交差する回数は基板厚に反比例する。したがって,出射回折格子の回折効率を基板厚に略比例させて設定することにより,光利用効率を概ね一定とすることができる。 Since the size of the projection optical system can be considered to be roughly proportional to the diameter of the incident beam, the results shown here are for the case where the light guide plate of this embodiment is applied to a small head-mounted display. Here, the primary diffraction efficiency of the emission diffraction grating is set to 0.85%. Since the propagation angle of light rays is determined by the pitch of the diffraction grating, the angle of the incident light, and the wavelength, if these are constant, the number of times the light rays intersect the exit diffraction grating before being projected onto the retina is inversely proportional to the substrate thickness. Therefore, by setting the diffraction efficiency of the emission diffraction grating in substantially proportional to the substrate thickness, the light utilization efficiency can be made substantially constant.

図19(a)に見られるように,導光板の厚が2.0mmの場合,出射回折格子による像の複製作用が回折パターンとして分離されていることが判る。導光板を薄くすることによって,回折パターンの間隔が小さくなり,導光板の厚0.6mm以下では回折パターンが重なることが判る。 As can be seen in FIG. 19A, when the thickness of the light guide plate is 2.0 mm, it can be seen that the image duplication action by the emission diffraction grating is separated as a diffraction pattern. It can be seen that by making the light guide plate thinner, the interval between the diffraction patterns becomes smaller, and the diffraction patterns overlap when the thickness of the light guide plate is 0.6 mm or less.

図20Aおよび図20Bに、輝度のRMS値と最大値をまとめた結果を示す。図20Aに見られるように輝度のRMS値は、基板厚が0.2mmから0.5mmの範囲において10%以下となって良好であることが判る。一方で,図20Bに見られるように最大輝度は導光板の厚が薄いほど大きくなる。これらの関係から,同様に用途に応じて適した導光板の厚さを選択することが可能である。 20A and 20B show the results of summarizing the RMS value and the maximum value of the luminance. As seen in FIG. 20A, it can be seen that the RMS value of the luminance is good as 10% or less in the range of the substrate thickness of 0.2 mm to 0.5 mm. On the other hand, as seen in FIG. 20B, the maximum brightness increases as the thickness of the light guide plate becomes thinner. From these relationships, it is also possible to select a suitable thickness of the light guide plate according to the application.

以上のように,本実施例の導光板は,入射するビームの直径に応じて導光板の厚さと出射回折格子の回折効率を適切に選択することにより,輝度が高く,輝度ムラが小さなヘッドマウントディスプレイ向けの導光板を提供することができる。ここでは,画角が40度と比較的広い場合について本実施例の作用を提示した。この場合,入射するビームの直径が1mmから4mmの範囲において,導光板の適切な厚さは0.2mmから1.0mmであり,両者には概略比例の関係がある。本実施例によれば,入射するビームの直径が,ここに例示した範囲を超える場合,この比例関係を利用して,適性な導光板の厚さを簡便に求めることができる。より詳細には,上と同様に本実施例で提示したシミュレーション方法を用いて,適正値を求めることが可能である。 As described above, the light guide plate of this embodiment is a head mount having high brightness and small brightness unevenness by appropriately selecting the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the emission diffraction grating according to the diameter of the incident beam. A light guide plate for a display can be provided. Here, the operation of this example is presented when the angle of view is as wide as 40 degrees. In this case, in the range where the diameter of the incident beam is in the range of 1 mm to 4 mm, the appropriate thickness of the light guide plate is 0.2 mm to 1.0 mm, and there is a roughly proportional relationship between the two. According to this embodiment, when the diameter of the incident beam exceeds the range illustrated here, the appropriate thickness of the light guide plate can be easily obtained by using this proportional relationship. More specifically, it is possible to obtain an appropriate value by using the simulation method presented in this embodiment as in the above.

実施例4の図17~図20に示したように,本実施例に好適な導光板の厚さと出射回折格子の回折効率は,導光板に入射する映像情報を含む光線群であるビームの直径に応じて適正な値があることを示した。導光板内部を全反射しながら伝搬する光線の波数は,波長,入射角,導光板の屈折率,および入射回折格子のピッチで定まり,式(2)から式(7)で示される。回折次数m=1として、映像情報を含む光線が導光板の入射回折格子に垂直入射する場合の伝播角度θp0は次式(12)で表される。 As shown in FIGS. 17 to 20 of Example 4, the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the emission diffraction grating suitable for this embodiment are the diameter of the beam which is a group of light rays including the image information incident on the light guide plate. It was shown that there is an appropriate value according to. The wave number of the light beam propagating while totally reflecting inside the light guide plate is determined by the wavelength, the angle of incidence, the refractive index of the light guide plate, and the pitch of the incident diffraction grating, and is expressed by equations (2) to (7). When the diffraction order mn = 1, the propagation angle θ p0 when the light ray containing the image information is perpendicularly incident on the incident diffraction grating of the light guide plate is expressed by the following equation (12).

Figure 0007096084000015
Figure 0007096084000015

ここで、nは基板(導光板)の屈折率、Pは回折格子のピッチ、λは光線の波長である。上の例に従って,波長を550nm,回折格子のピッチを440nmとし,導光板の屈折率を1.58とすると、θp0は52.3°となる。導光板の厚さがtのとき,光線と出射回折格子が交差する点の間隔Lは,以下の式(13)となる。 Here, n s is the refractive index of the substrate (light guide plate), P is the pitch of the diffraction grating, and λ is the wavelength of the light beam. According to the above example, assuming that the wavelength is 550 nm, the pitch of the diffraction grating is 440 nm, and the refractive index of the light guide plate is 1.58, θ p0 is 52.3 °. When the thickness of the light guide plate is t, the distance L between the points where the light beam and the emission diffraction grating intersect is given by the following equation (13).

Figure 0007096084000016
Figure 0007096084000016

図21は導光板(基板)の厚さとビーム間隔Lの関係を示す例である。光源の波長の広がりの効果を除いて考えると,導光板に入射するビームの直径がLに比較して小さい場合,ユーザが認識する映像情報は図17(a)のように不連続な輝点パターンとなる。すなわち、図21はビームの直径が一定の前提では、導光板の厚さが厚くなると画質が劣化することを示している。 FIG. 21 is an example showing the relationship between the thickness of the light guide plate (board) and the beam spacing L. Excluding the effect of the wavelength spread of the light source, when the diameter of the beam incident on the light guide plate is smaller than L, the image information recognized by the user is a discontinuous bright spot as shown in FIG. 17 (a). It becomes a pattern. That is, FIG. 21 shows that the image quality deteriorates as the thickness of the light guide plate increases, assuming that the diameter of the beam is constant.

ここでは,導光板の厚さと出射回折格子の回折効率とユーザが認識する像の品質の関係を示すため,入射するビームの直径がLに等しい場合について考察する。図17から図20に例示したのと同様な計算を実施して,導光板の厚さに対して輝度が最大となる出射回折格子の回折効率,および輝度ムラ(輝度RMS値)が最小となる出射回折格子の回折効率を,それぞれ求めた。 Here, in order to show the relationship between the thickness of the light guide plate, the diffraction efficiency of the emission diffraction grating, and the quality of the image recognized by the user, the case where the diameter of the incident beam is equal to L will be considered. By performing the same calculations as illustrated in FIGS. 17 to 20, the diffraction efficiency of the exit diffraction grating that maximizes the brightness with respect to the thickness of the light guide plate and the brightness unevenness (luminance RMS value) are minimized. The diffraction efficiency of the emission diffraction grating was determined for each.

図22に結果を示す。図13に示したように,出射回折格子が矩形の場合の回折効率の最大値は7.5%である。また,本実施例の光ディスクのプロセスを活用するという観点から,導光板の厚さの下限は,Blu-ray Discのカバー層の厚さ0.1mmが実現性の点から現実的である。図中,斜線で示した領域は,輝度が最大から輝度ムラが最小となる回折効率の範囲であって,かつ回折効率の最大値7.5%以下で,導光板の厚さの下限を0.1mmとする範囲である。すなわち,図22中の斜線領域は,本実施例に好適な導光板の厚さと出射回折格子の回折効率の範囲を,より詳細に示すものである。 The results are shown in FIG. As shown in FIG. 13, the maximum value of the diffraction efficiency when the emission diffraction grating is rectangular is 7.5%. Further, from the viewpoint of utilizing the optical disc process of the present embodiment, the lower limit of the thickness of the light guide plate is realistic from the viewpoint of feasibility of a cover layer thickness of 0.1 mm for the Blu-ray Disc. In the figure, the area shown by the diagonal line is the range of the diffraction efficiency from the maximum brightness to the minimum brightness unevenness, the maximum value of the diffraction efficiency is 7.5% or less, and the lower limit of the thickness of the light guide plate is 0. The range is 1 mm. That is, the shaded area in FIG. 22 shows in more detail the range of the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the emission diffraction grating suitable for this embodiment.

図22より,用途に応じて出射回折格子の回折効率を適宜設定した場合,本実施例に好適な導光板の厚さは0.1mmから4.0mmの範囲にあることが判る。前述のように,出射回折格子の回折効率の好適な範囲は光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するという観点から,0.1%~10%,好ましくは0.2%~7.5%の1次回折効率を有することが望ましいとしたが,図22に示すように,導光板の厚さ0.1mmから4.0mmの範囲において,好適な回折効率の範囲の計算結果は0.2%から7.5%であり,前述の範囲に一致することが判る。光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため、さらに好ましくは0.5%から5.0%である。この場合、基板厚さは0.5mm~3mm程度に薄くできる。 From FIG. 22, it can be seen that the thickness of the light guide plate suitable for this embodiment is in the range of 0.1 mm to 4.0 mm when the diffraction efficiency of the emission diffraction grating is appropriately set according to the application. As described above, the preferred range of the diffraction efficiency of the emission diffraction grating is 0.1% to 10%, preferably 0.2, from the viewpoint of performing the duplication of light rays and the emission from the light guide plate over a wide area. Although it is desirable to have a primary diffraction efficiency of% to 7.5%, as shown in FIG. 22, the thickness of the light guide plate is in the range of 0.1 mm to 4.0 mm, which is in the range of suitable diffraction efficiency. The calculation result is 0.2% to 7.5%, and it can be seen that it corresponds to the above range. It is more preferably 0.5% to 5.0% because the duplication of light rays and the emission from the light guide plate are carried out over a wide area. In this case, the thickness of the substrate can be reduced to about 0.5 mm to 3 mm.

以上,導光板の材質としてポリカーボネートを用い,出射回折格子の断面形状として矩形形状の導光板について本実施例に好適な各パラメータについて示した。本実施例では,他にアクリル樹脂や一般に眼鏡レンズに用いられる高屈折率のプラスチック材料(屈折率≧1.70)を導光板の材料として用いることができる。また,出射回折格子の断面形状としては,正弦波形状や三角形,台形等任意の形状を用いることも可能である。導光板の屈折率や出射回折格子の断面形状の影響は図22に示した本実施例を実施するのに好適な範囲に対して,概ねプラスマイナス20%程度の領域シフトになると考えられる。 As described above, each parameter suitable for this embodiment is shown for the light guide plate having a rectangular shape as the cross-sectional shape of the emission diffraction grating using polycarbonate as the material of the light guide plate. In this embodiment, an acrylic resin or a plastic material having a high refractive index generally used for spectacle lenses (refractive index ≧ 1.70) can be used as a material for the light guide plate. Further, as the cross-sectional shape of the emission diffraction grating, any shape such as a sine wave shape, a triangle, or a trapezoid can be used. It is considered that the influence of the refractive index of the light guide plate and the cross-sectional shape of the emission diffraction grating is a region shift of about plus or minus 20% with respect to the range suitable for carrying out this embodiment shown in FIG.

さて,導光板は入射した画像情報を含む光線を内部で全反射導光しながら複製し,ユーザに視認可能な光線を出射するものであるため,少なくとも自重により大きくたわまないだけの機械的強度が求められる。導光板がたわんで,入射回折格子と出射回折格子の平行度がそこなわれると,両者のなす角度だけ,ユーザに認識される画像情報がひずむからである。上では,本実施例に好適な導光板の厚さはBlu-ray Discのカバー層の厚さ0.1mmが現実的な下限であるとした。0.1mm厚のプラスチック素材は自重でたわむことが避けられない。 By the way, the light guide plate duplicates the light rays including the incident image information while totally reflecting and guiding the light rays inside, and emits the light rays that can be seen by the user. Strength is required. This is because if the light guide plate bends and the parallelism between the incident diffraction grating and the exit diffraction grating is impaired, the image information recognized by the user is distorted by the angle between the two. In the above, the practical lower limit of the thickness of the light guide plate suitable for this embodiment is 0.1 mm, which is the thickness of the cover layer of the Blu-ray Disc. It is inevitable that the 0.1 mm thick plastic material will bend under its own weight.

これを避けるための,本実施例の導光板の構成を以下に示す。これまでの計算は,導光板の片側表面に出射回折格子を形成した場合について求めたものである。このとき,光線と出射回折格子が交差する間隔Lは式(13)で表される。入射するビームの直径Dに対して,D<<Lの場合には,視認される画像は不連続な輝点パターンとなる。導光板の厚さtを薄くすることにより,Lが比例して小さくなるため,画像の品質が向上することは図17に示したとおりである。 The configuration of the light guide plate of this embodiment to avoid this is shown below. The calculations so far have been obtained for the case where an emission diffraction grating is formed on one side surface of the light guide plate. At this time, the interval L at which the light beam and the emission diffraction grating intersect is expressed by Eq. (13). When D << L with respect to the diameter D of the incident beam, the visually recognized image has a discontinuous bright spot pattern. As shown in FIG. 17, the image quality is improved because L is proportionally reduced by reducing the thickness t of the light guide plate.

図23は,本実施例の導光板の構成を示す実施例である。ここでは,出射回折格子のみを示しており,1枚のプラスチック基板と4つの出射回折格子を一体化した例を示している。図中,11は基板,12,14,16,18は出射回折格子,13,15,17は透明なスペーサ層である。 FIG. 23 is an example showing the configuration of the light guide plate of this embodiment. Here, only the emission diffraction grating is shown, and an example in which one plastic substrate and four emission diffraction gratings are integrated is shown. In the figure, 11 is a substrate, 12, 14, 16 and 18 are emission diffraction gratings, and 13, 15 and 17 are transparent spacer layers.

本構成によれば,出射回折格子12,14,16,18の間隔はスペーサ層の間隔に一致し,これを0.1mm厚とする。 (式13)における導光板の厚さtは,光線と出射回折格子が交差するまでに,導光板の厚さ方向に移動した距離2tの1/2である。したがって,本構成においては,tの最小値がスペーサ層の厚さに一致させることができ,上の議論から画像の品質向上に効果的であることが判る。 According to this configuration, the spacing between the exit diffraction gratings 12, 14, 16 and 18 coincides with the spacing between the spacer layers, which is 0.1 mm thick. The thickness t of the light guide plate in (Equation 13) is 1/2 of the distance 2t moved in the thickness direction of the light guide plate before the light ray and the emission diffraction grating intersect. Therefore, in this configuration, the minimum value of t can be matched with the thickness of the spacer layer, and it can be seen from the above discussion that it is effective in improving the quality of the image.

図23に示した本実施例の導光板の構成は,基本的に多層Blu-ray Discの規格と同様であり,同様なプロセスを用いて作成することが容易である。このとき,出射回折格子12は基板11の上に射出成型法により形成し,その上にスペーサ層13,出射回折格子14を2P法で形成する。これを繰り返して,順次,スペーサ層15,出射回折格子16,スペーサ層17,出射回折格子18を順次形成すればよい。また、Blu-ray DiscやDVDの多層ROM媒体では,回折格子パターンが形成された各情報保持層(本実施例の出射回折格子に対応)の形成後に,誘電体反射膜や薄い金属薄膜等を形成して反射率を所定の値に制御している。 The configuration of the light guide plate of this embodiment shown in FIG. 23 is basically the same as the standard of the multilayer Blu-ray Disc, and it is easy to create it by using the same process. At this time, the emission diffraction grating 12 is formed on the substrate 11 by the injection molding method, and the spacer layer 13 and the emission diffraction grating 14 are formed on the spacer layer 13 by the 2P method. By repeating this, the spacer layer 15, the emission diffraction grating 16, the spacer layer 17, and the emission diffraction grating 18 may be sequentially formed. Further, in the multi-layer ROM medium of Blu-ray Disc or DVD, after forming each information holding layer (corresponding to the emission diffraction grating of this embodiment) on which the diffraction grating pattern is formed, a dielectric reflective film, a thin metal thin film, or the like is formed. It is formed and the reflectance is controlled to a predetermined value.

本実施例の導光板の場合,誘電体反射膜や薄い金属薄膜を出射回折格子の上に形成することによって,回折効率を制御することができる。このとき,出射回折格子の回折効率は,波動理論から形成した反射膜の反射率に略比例するため,容易に膜厚の設計が可能である。本実施例は,導光板の厚さの概念を拡張したものであり,透明なプラスチック基板上に形成された2層以上の出射回折格子を形成することにより,機械的強度を保ちながら,出射回折格子の厚さ方向の間隔を小さくすることにより,ユーザが認識する画像の品質を向上するものである。本実施例によって形成可能な出射回折格子の層の数の上限は概略8層となる。 In the case of the light guide plate of this embodiment, the diffraction efficiency can be controlled by forming a dielectric reflective film or a thin metal thin film on the emission diffraction grating. At this time, since the diffraction efficiency of the emission diffraction grating is substantially proportional to the reflectance of the reflective film formed from the wave theory, the film thickness can be easily designed. This embodiment is an extension of the concept of the thickness of the light guide plate. By forming two or more layers of emission diffraction gratings formed on a transparent plastic substrate, emission diffraction is performed while maintaining mechanical strength. By reducing the spacing in the thickness direction of the grating, the quality of the image recognized by the user is improved. The upper limit of the number of layers of the emission diffraction grating that can be formed by this embodiment is approximately eight layers.

図24Aおよび図24Bは、本実施例に好適な入射回折格子を示すシミュレーション結果である。ここでは光源の波長550nm,回折格子のピッチ440nm,基板の屈折率1.58として計算を行った。光利用効率の観点で入射回折格子には高い回折効率が求められる。 24A and 24B are simulation results showing an incident diffraction grating suitable for this embodiment. Here, the calculation was performed assuming that the wavelength of the light source was 550 nm, the pitch of the diffraction grating was 440 nm, and the refractive index of the substrate was 1.58. From the viewpoint of light utilization efficiency, the incident diffraction grating is required to have high diffraction efficiency.

「特許文献2」に記載されるオーバハングした三角形の回折格子は,入射光を透過回折により高効率で導光板にカップリングすることができる優れた技術である。一方,図16Aおよび図16Bに示した実施例の入射回折格子の作成方法では,オーバハングした形状を作成することは困難である。ここでは,射出成型法や2P法等で作成することができるオーバハングしない通常の三角形の形状をもつブレーズ型回折格子について検討した。 The overhanging triangular diffraction grating described in "Patent Document 2" is an excellent technique capable of coupling incident light to a light guide plate with high efficiency by transmission diffraction. On the other hand, it is difficult to create an overhanging shape by the method for creating an incident diffraction grating shown in FIGS. 16A and 16B. Here, we examined a blaze-type diffraction grating that can be produced by the injection molding method, the 2P method, or the like and has a normal triangular shape that does not overhang.

図24Aは「特許文献2」と同じ透過型の回折格子のシミュレーション結果である。映像光線2401は左から入射する構成であり,図の右半分が基板2402を表している。基板2402表面に,回折格子を示す三角形状の凹凸パターンが見える。透過型の回折格子では,ブレーズ面による屈折と周期構造による回折が位相同調する条件で最大の回折効率が得られる。図に示すように,これを実現するには凹凸パターンの高さが大きい必要があり,パターンの角度は70度から80度,パターンの高さを周期で割ったアスペクト比は10以上が必要である。一般に,2P法による凹凸パターンの転写では,アスペクト比が2を超えると剥離性等の問題が生じて,量産時の歩留りが低下する。ここに示した透過型の回折格子は本実施例の入射回折格子としては適していないことが判る。 FIG. 24A is a simulation result of the same transmission type diffraction grating as in “Patent Document 2”. The image ray 2401 is configured to be incident from the left, and the right half of the figure represents the substrate 2402. On the surface of the substrate 2402, a triangular uneven pattern showing a diffraction grating can be seen. In the transmission type diffraction grating, the maximum diffraction efficiency can be obtained under the condition that the refraction due to the blaze plane and the diffraction due to the periodic structure are phase-tuned. As shown in the figure, in order to realize this, the height of the uneven pattern needs to be large, the angle of the pattern needs to be 70 to 80 degrees, and the aspect ratio obtained by dividing the height of the pattern by the cycle needs to be 10 or more. be. In general, in the transfer of uneven patterns by the 2P method, if the aspect ratio exceeds 2, problems such as peelability occur and the yield at the time of mass production decreases. It can be seen that the transmission type diffraction grating shown here is not suitable as the incident diffraction grating of this embodiment.

図24Bは反射型の回折格子のシミュレーション結果である。映像光線2401は同様に左から入射する構成であり,図の左半分が基板2402を表している。基板2402表面に,回折格子を示す三角形状の凹凸パターンが見える。反射型の回折格子では,ブレーズ面による反射と周期構造による回折による位相同調する条件で最大の回折効率が得られる。図に見られるように,透過型に比較して,低いアスペクト比の凹凸パターンでこの条件が満たされることが判る。このときの凹凸パターンの高さは約250nmであり,アスペクト比は約0.57である。前述の試作素子では,パターン高さが374nmの三角形状の凹凸パターンを良好に転写可能なことであった。本実施例の導光板には,反射型回折格子を用いることが好ましいことと言える。 FIG. 24B is a simulation result of a reflection type diffraction grating. Similarly, the image ray 2401 is configured to be incident from the left, and the left half of the figure represents the substrate 2402. On the surface of the substrate 2402, a triangular uneven pattern showing a diffraction grating can be seen. In the reflection type diffraction grating, the maximum diffraction efficiency can be obtained under the condition of phase tuning by reflection by the blaze surface and diffraction by the periodic structure. As can be seen in the figure, it can be seen that this condition is satisfied by the uneven pattern having a lower aspect ratio than the transmissive type. The height of the uneven pattern at this time is about 250 nm, and the aspect ratio is about 0.57. In the above-mentioned prototype element, it was possible to transfer a triangular uneven pattern having a pattern height of 374 nm satisfactorily. It can be said that it is preferable to use a reflection type diffraction grating for the light guide plate of this embodiment.

図14Aおよび図14Bに示した結果から,出射回折格子の回折効率が一定の場合,投影像の輝度と輝度ムラがトレードオフの関係にあることを示した。ここでは,輝度が高く,輝度ムラが小さい本実施例の導光板に好適な出射回折格子の構成について示す。以下,光源の波長550nm,回折格子のピッチ440nm,基板の屈折率1.58,基板の厚さ0.6mmとして計算を行った。 From the results shown in FIGS. 14A and 14B, it was shown that when the diffraction efficiency of the emission diffraction grating is constant, there is a trade-off relationship between the brightness of the projected image and the brightness unevenness. Here, the configuration of an emission diffraction grating suitable for the light guide plate of this embodiment, which has high luminance and small luminance unevenness, is shown. Below, the calculation was performed assuming that the wavelength of the light source was 550 nm, the pitch of the diffraction grating was 440 nm, the refractive index of the substrate was 1.58, and the thickness of the substrate was 0.6 mm.

図25Aおよび図25Bは導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果である。図中,入射回折格子はy方向下側に配置され,y方向上側にユーザの目に相当する瞳が配置される。図25Aは投影像の中央部に至る光線の強度分布を示している。図中の出射円Oは,瞳に到達する光線が出射回折格子上で最後に回折した領域を示す。入射回折格子からy方向に向かう直線上の輝度の高い領域は,入射回折格子で回折され導光板内部を伝搬する主たる光線群(以下,主光線群)を示す。主光線群の伝播方向を矢印251で示す。 25A and 25B are simulation results that visualize the intensity distribution of the light rays propagating inside the light guide plate. In the figure, the incident diffraction grating is arranged on the lower side in the y direction, and the pupil corresponding to the user's eye is arranged on the upper side in the y direction. FIG. 25A shows the intensity distribution of light rays reaching the center of the projected image. The emission circle O in the figure indicates the region where the light ray reaching the pupil was last diffracted on the emission diffraction grating. The region with high brightness on the straight line from the incident diffraction grating toward the y direction indicates the main ray group (hereinafter referred to as the main ray group) diffracted by the incident diffraction grating and propagating inside the light guide plate. The propagation direction of the main ray group is indicated by arrow 251.

図25Aに見られるように,主光線群の伝搬によって強度が次第に減衰する特性をもつ。主光線群の周辺に広がる輝度の低い光線群は,出射回折格子により回折されx-y面内で進行方向が偏向された光線群である。この条件ではx-y面内で出射円Oと瞳は一致していることが判る。したがって,瞳に到達して画像として認識されるのは,強度の強い主光線群の一部である。 As can be seen in FIG. 25A, it has a characteristic that the intensity is gradually attenuated by the propagation of the main ray group. The low-luminance ray group spreading around the main ray group is a ray group whose traveling direction is deflected in the xy plane by being diffracted by the emission diffraction grating. Under this condition, it can be seen that the exit circle O and the pupil coincide with each other in the xy plane. Therefore, it is a part of the strong main ray group that reaches the pupil and is recognized as an image.

図25Bは投影像の右下端に至る光線の強度分布を示す。ここでは,理解を容易にするため,目のレンズ作用による画像の反転と網膜に投影されたイメージを脳で処理してさらに反転させて認知する効果を割愛し,視野の右下端に認識される画像は,右下端に向う波数ベクトルをもつとして表示している。 FIG. 25B shows the intensity distribution of light rays reaching the lower right corner of the projected image. Here, in order to facilitate understanding, the effect of recognizing the image inverted by the lens action of the eye and the image projected on the retina by processing it in the brain and further inverting it is omitted, and it is recognized at the lower right corner of the visual field. The image is displayed as having a wave number vector toward the lower right corner.

図に見られるように,主光線群は入射回折格子から右上に向って進行する。また,出射円Oと瞳Pはx-y面内で一致せず,瞳に届いて画像として認識される光線は,主光線群から左上方向に偏向されたものであることが判る。したがって,瞳Pに至って画像として認識される光線は図25Aの場合に比較して強度が低くなる。以上が,導光板を用いて像を投影する場合の輝度ムラが発生する理由の1つである。他に,入射する映像ビームの直径,RGB導光板の間のクロストーク,入射回折格子の-1次回折,回折格子のピッチと凹凸パターンの高さの不均一幅性による散乱などが,輝度ムラの原因として大きなものである。本実施例では図に示した主光線群と出射円の不一致による輝度ムラの改善方法を以下に提供する。 As can be seen in the figure, the main ray group travels from the incident diffraction grating toward the upper right. Further, it can be seen that the emission circle O and the pupil P do not match in the xy plane, and the ray that reaches the pupil and is recognized as an image is deflected in the upper left direction from the main ray group. Therefore, the intensity of the light beam that reaches the pupil P and is recognized as an image is lower than that in the case of FIG. 25A. The above is one of the reasons why the luminance unevenness occurs when the image is projected using the light guide plate. In addition, the diameter of the incident video beam, the crosstalk between the RGB light guide plates, the -1st order diffraction of the incident diffraction grating, and the scattering due to the non-uniform width of the pitch of the diffraction grating and the height of the uneven pattern cause uneven brightness. It is a big cause. In this embodiment, a method for improving the luminance unevenness due to the disagreement between the main ray group and the emission circle shown in the figure is provided below.

図26Aおよび図26Bは,本実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図である。図では,図25Aおよび図25Bのシミュレーション結果に重ねて解決方法を摸式的に示している。図中,100は導光板,210および220は出射回折格子の一部に設けた回折効率増強領域である。図に示すように,視認される画像の位置によって,導光板内を伝播する主光線群の進行方向が異なる。 26A and 26B are schematic diagrams showing a method for improving the luminance unevenness of the projected image according to the present embodiment. In the figure, the solution is shown in an exemplary manner by superimposing the simulation results of FIGS. 25A and 25B. In the figure, 100 is a light guide plate, and 210 and 220 are diffraction efficiency enhancing regions provided in a part of the emission diffraction grating. As shown in the figure, the traveling direction of the main ray group propagating in the light guide plate differs depending on the position of the visually recognized image.

これを利用して,図26Bの場合,主光線群は回折効率増強領域210により,出射円の方向へ強く回折することにより,出射円に至る光線の強度を強くすることが可能となり,輝度ムラを改善することができる。 Utilizing this, in the case of FIG. 26B, the main light group can be strongly diffracted in the direction of the emission circle by the diffraction efficiency enhancement region 210, so that the intensity of the light rays reaching the emission circle can be increased, and the luminance unevenness can be increased. Can be improved.

図26Aに示すように,回折効率増強領域は,画像の中央に向う主光線群と一致しない領域に形成することが好ましい。これは,前述のEB描画装置等でマスターを作成する際に,グレーティングを形成する凹凸のデューティ比や高さを制御することで実現できる。 As shown in FIG. 26A, it is preferable that the diffraction efficiency enhancing region is formed in a region that does not coincide with the main ray group toward the center of the image. This can be realized by controlling the duty ratio and height of the unevenness forming the grating when creating a master with the above-mentioned EB drawing device or the like.

「特許文献1」の図3に説明されている導光板では,導波路、および、3つの線形回折格子H0、H1、H2を備えている。入射光線は回折格子H0を照射し、この光は導波路へと結合される。導波路に形成されている2つの格子H1、H2は、互いの上に重なっている。「特許文献1」の知見を利用すると、本実施例は回折効率増強領域210には回折格子H1のみを形成し,回折効率増強領域220には回折格子H2のみを形成することによっても実現できる。EB描画装置ではH1とH2を同一面内にパターニングして,2つの波数ベクトルをもつ回折格子を形成することも容易であり,射出成型法により導光板を安価に提供することを目的とする本実施例には,1つの面に出射回折格子を形成した導光板が,光ディスクのプロセスを活用するという点において適していると言える。 The light guide plate described in FIG. 3 of "Patent Document 1" includes a waveguide and three linear diffraction gratings H0, H1 and H2. The incident light beam illuminates the diffraction grating H0, and this light is coupled to the waveguide. The two lattices H1 and H2 formed in the waveguide overlap each other. Utilizing the findings of "Patent Document 1", this embodiment can also be realized by forming only the diffraction grating H1 in the diffraction efficiency enhancing region 210 and forming only the diffraction grating H2 in the diffraction efficiency enhancing region 220. In an EB drawing device, it is easy to pattern H1 and H2 in the same plane to form a diffraction grating having two wave vector, and this book aims to provide a light guide plate at low cost by an injection molding method. In the embodiment, it can be said that the light guide plate having the emission diffraction grating formed on one surface is suitable in that the process of the optical disk is utilized.

図27は本実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す別の摸式図である。ここでは,図25Aにおける主光線群の伝搬によるy方向の強度減衰に着目した解決法を提供する。図27は,投影像のy方向のピクセル位置と輝度との関係を上と同じ条件で計算した結果である。図に見られるように,出射回折格子が面内に一様な回折効率を持つ場合は,入射回折格子から出射円までの伝搬長に応じて,y方向のピクセル位置が大きくなる(投影像の上側)に従って,画像の輝度減衰が発生する(特性2701)。一方で,この減衰が緩やかな場合,線形近似で出射回折格子の回折効率を面内で補正することによって,投影像の輝度ムラを改善することができる(特性2702)。 FIG. 27 is another schematic diagram showing a method for improving the luminance unevenness of the projected image according to the present embodiment. Here, a solution focusing on the intensity attenuation in the y direction due to the propagation of the main ray group in FIG. 25A is provided. FIG. 27 shows the result of calculating the relationship between the pixel position in the y direction of the projected image and the brightness under the same conditions as above. As can be seen in the figure, when the emission diffraction grating has a uniform diffraction efficiency in the plane, the pixel position in the y direction increases according to the propagation length from the incident diffraction grating to the emission circle (projected image). According to the upper side), the luminance attenuation of the image occurs (characteristic 2701). On the other hand, when this attenuation is gradual, the luminance unevenness of the projected image can be improved by correcting the diffraction efficiency of the emission diffraction grating in the plane by linear approximation (characteristic 2702).

図28は,画像形成手段であるプロジェクタ281で形成される像の輝度ムラを軽減する、本実施例の導光板を示す摸式図である。図中,300は導光板,307は入射回折格子,303は出射回折格子を示す。出射回折格子の凹凸パターンの拡大図をあわせて示す。図に見られるように,出射回折格子の凹凸パターンのデューティをy方向(光の伝播方向)に変化させることにより,回折効率に分布を付与することにより,図27に示した輝度ムラの改善が可能となる。 FIG. 28 is a schematic diagram showing a light guide plate of this embodiment that reduces luminance unevenness of an image formed by a projector 281 that is an image forming means. In the figure, 300 is a light guide plate, 307 is an incident diffraction grating, and 303 is an emission diffraction grating. An enlarged view of the uneven pattern of the emission diffraction grating is also shown. As can be seen in the figure, the luminance unevenness shown in FIG. 27 can be improved by giving a distribution to the diffraction efficiency by changing the duty of the uneven pattern of the emission diffraction grating in the y direction (light propagation direction). It will be possible.

マスターの作成には半導体プロセス技術を応用する場合,EB描画法や縮小露光法によりレジストを所定のパターンで露光した後,洗浄,エッチングを順次実施して,Si基板の表面に凹凸パターンを形成する。このとき,レジストはスピンコーティング法等により厚さを一様に塗布されること,露光に用いる電子や光子は,レジストの厚さ方向に対して吸収率分布をもつこと,から凹凸パターンは一様な高さをもつことが好ましい。前述のように,回折格子の回折効率は凹凸パターンにより付与される位相差に応じて制御されるものであり,これは凹凸パターンのデューティを変化させることによっても制御することができる。以上により,本実施例の導光板に好適な回折効率の面内分布の付与の方法としては,凹凸パターンのデューティを面内で変調する方法が適していると言える。 When semiconductor process technology is applied to create a master, the resist is exposed to a predetermined pattern by an EB drawing method or a reduced exposure method, and then cleaning and etching are performed in sequence to form an uneven pattern on the surface of the Si substrate. .. At this time, the thickness of the resist is uniformly applied by a spin coating method or the like, and the electrons and photons used for exposure have an absorptivity distribution in the thickness direction of the resist, so that the uneven pattern is uniform. It is preferable to have a high height. As described above, the diffraction efficiency of the diffraction grating is controlled according to the phase difference given by the unevenness pattern, which can also be controlled by changing the duty of the unevenness pattern. From the above, it can be said that a method of in-plane modulation of the duty of the uneven pattern is suitable as a method of imparting an in-plane distribution of diffraction efficiency suitable for the light guide plate of the present embodiment.

図29は,本実施例の導光板を用いた別の実施例である。本実施例の導光板300は回折格子による回折の対称性により,プロジェクタ281と反対側にユーザの目がある場合にも画像を投影することが可能である。この場合,図示しないプロジェクタ内の液晶素子の投影パターンを上でミラー反転させることにより,容易にユーザは画像を認識できる。 FIG. 29 is another embodiment using the light guide plate of this embodiment. The light guide plate 300 of this embodiment can project an image even when the user's eyes are on the opposite side of the projector 281 due to the symmetry of diffraction by the diffraction grating. In this case, the user can easily recognize the image by mirror-inverting the projection pattern of the liquid crystal element in the projector (not shown).

図30は、本実施例の画像表示装置の構成を示す摸式図である。図中のプロジェクタ281から出射した画像情報をもつ光は,B,G,Rの各導光板300B,300G,300Rの作用によりユーザ400に届けられ,拡張現実を実現する。B,G,Rの各導光板は,図3に示した実施例の導光板を図15に示したように組み合わせたものであり,形成される回折格子のピッチと深さは,各色に応じて最適化されたものである。 FIG. 30 is a schematic diagram showing the configuration of the image display device of this embodiment. The light having the image information emitted from the projector 281 in the figure is delivered to the user 400 by the action of the light guide plates 300B, 300G, and 300R of B, G, and R, and realizes augmented reality. Each of the light guide plates B, G, and R is a combination of the light guide plates of the embodiment shown in FIG. 3 as shown in FIG. 15, and the pitch and depth of the formed diffraction grating correspond to each color. It is optimized.

図30において,本実施例の画像表示装置は導光板300B,300G,300R,画像形成手段としてプロジェクタ281,および図示しない表示画像制御部からなる。ここで導光板モジュール3001は図15に示したように,カラ―表示に対応して,R,G,B,それぞれの導光板を一体化したものである。また,画像形成手段としては,例えば、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置,有機および無機EL(Electro Luminescence)素子アレイとレンズによる画像形成装置、発光ダイオードアレイとレンズによる画像形成装置,光源と半導体MEMSミラーアレイとレンズを組み合わせた画像形成装置等,広く公知の画像形成装置を用いることができる。また,LEDやレーザ光源と光ファイバの先端をMEMS技術やPZT等により共振運動させたものを用いることもできる。これらの中で,最も一般的なものは、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置である。ここで、空間光変調装置として、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を挙げることができ、光源としては白色光源をRGB分離して用いることも,各色対応のLEDやレーザを用いることもできる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてレンズを用いたコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。 In FIG. 30, the image display device of this embodiment includes light guide plates 300B, 300G, 300R, a projector 281 as an image forming means, and a display image control unit (not shown). Here, as shown in FIG. 15, the light guide plate module 3001 integrates the light guide plates of R, G, and B corresponding to the color display. The image forming means includes, for example, an image forming apparatus composed of a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source and a lens, an image forming apparatus using an organic and inorganic EL (Electro Luminescence) element array and a lens, and light emission. A widely known image forming apparatus such as an image forming apparatus using a diode array and a lens and an image forming apparatus combining a light source and a semiconductor MEMS mirror array and a lens can be used. Further, it is also possible to use an LED or a laser light source in which the tip of the optical fiber is resonantly moved by MEMS technology, PZT or the like. Of these, the most common is an image forming apparatus consisting of a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source, and a lens. Here, examples of the spatial light modulator include a transmissive or reflective liquid crystal display device such as LCOS (Liquid Crystal On Silicon) and a digital micromirror device (DMD), and the white light source is separated into RGB as the light source. It is also possible to use an LED or a laser corresponding to each color. Further, the reflection type spatial light modulator reflects a part of the light from the liquid crystal display device and the light source and guides the light to the liquid crystal display device, and passes a part of the light reflected by the liquid crystal display device. It can be configured to consist of a polarizing beam splitter that leads to a collimating optical system using a lens.

光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、上で示した1280x720のほかに,320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080を例示することができる。 Examples of the light emitting element constituting the light source include a red light emitting element, a green light emitting element, a blue light emitting element, and a white light emitting element. The number of pixels may be determined based on the specifications required for the image display device, and as specific values of the number of pixels, in addition to the 1280x720 shown above, 320 × 240, 432 × 240, 640 × 480. 1024 × 768 and 1920 × 1080 can be exemplified.

本実施例の画像表示装置では,プロジェクタ281から出射した映像情報を含む光線が,導光板300B,300G,300Rの各入射回折格子に照射されるように,位置決めして,導光板モジュール3001と一体化されて形成される。 In the image display device of this embodiment, the light rays including the image information emitted from the projector 281 are positioned so as to be applied to the incident diffraction gratings of the light guide plates 300B, 300G, and 300R, and integrated with the light guide plate module 3001. It is formed by being transformed.

また,図示しない表示画像制御部は,プロジェクタ281の動作を制御して,ユーザ400に適宜,画像情報を提供する機能を果たす。 Further, the display image control unit (not shown) controls the operation of the projector 281 and functions to provide the user 400 with image information as appropriate.

本実施例では,ユーザに画像情報を提供する場合について示したが,本実施例の画像表示装置は,このほかにユーザや外界の情報を取得するためのタッチセンサ,温度センサ,加速度センサ等の各種センサや,ユーザの目の動きを計測するためのアイ・トラッキング機構を備えることが可能である。 In this embodiment, the case of providing image information to the user is shown, but the image display device of this embodiment also includes a touch sensor, a temperature sensor, an acceleration sensor, etc. for acquiring information on the user and the outside world. It is possible to equip various sensors and an eye tracking mechanism for measuring the movement of the user's eyes.

以上説明した実施例によれば,広い視野角の実現に有利な「特許文献1」~「特許文献3」に記載されている凹凸型回折格子を有する導光板(画像表示素子)とそれを用いた画像表示装置を低コスト化,および軽量化してユーザに提供することができる。 According to the above-described embodiment, the light guide plate (image display element) having the concave-convex diffraction grating described in "Patent Document 1" to "Patent Document 3", which is advantageous for realizing a wide viewing angle, and the light guide plate (image display element) thereof are used. It is possible to reduce the cost and weight of the image display device that has been used and provide it to the user.

以上説明した実施例によれば、光ディスクの製造技術を活用した低コスト化と,プラスチック化による軽量化を実現した導光板を提供することができる。コストに関しては概ね1/10~1/100,重さに関しては概ね1/2以下が目安となる。また,導光板のプラスチック化により,ユーザが装着した際に,思わぬ外力による衝撃を受けた場合,プラスチックはガラスに比較して飛散しにくい特性があるため,安全性が向上するという付帯的な効果も実現される。
また,特許文献6に記載されている,車載用途向けのヘッドアップディスプレイ(HUD)は,図1に見られるように,本発明のヘッドマウントディスプレイとほぼ同じ構造により,運転者に適切な情報を提示することができる。したがって,本発明の導光板は,ヘッドアップディスプレイにも容易に応用することが可能である。
According to the above-described embodiment, it is possible to provide a light guide plate that realizes cost reduction by utilizing the optical disc manufacturing technique and weight reduction by plasticization. As a guide, the cost is about 1/10 to 1/100, and the weight is about 1/2 or less. In addition, due to the plasticization of the light guide plate, when the user wears it, if it receives an impact due to an unexpected external force, the plastic has the property of being less likely to scatter than glass, so it is ancillary that safety is improved. The effect is also realized.
Further, as shown in FIG. 1, the head-up display (HUD) for in-vehicle use described in Patent Document 6 has almost the same structure as the head-mounted display of the present invention, and provides appropriate information to the driver. Can be presented. Therefore, the light guide plate of the present invention can be easily applied to a head-up display.

300:導光板
307:入射回折格子
303:出射回折格子
300: Light guide plate 307: Incident diffraction grating 303: Emission diffraction grating

Claims (15)

導波路を形成する第1の樹脂からなる第1の部材と、
前記第1の部材の少なくとも一部の上に形成された第2の樹脂からなる第2の部材と、
を備え、
前記第1の樹脂と前記第2の樹脂は異なる樹脂であり、
前記第1の部材には出射回折格子として第1のパターンからなる第1の回折格子が形成され、
前記第2の部材には入射回折格子として第2のパターンからなる第2の回折格子が形成され、
前記第1のパターンと前記第2のパターンは異なるパターンである、
導光板。
A first member made of a first resin forming a waveguide ,
A second member made of a second resin formed on at least a part of the first member, and a second member.
Equipped with
The first resin and the second resin are different resins.
A first diffraction grating composed of a first pattern is formed on the first member as an emission diffraction grating .
A second diffraction grating composed of a second pattern is formed on the second member as an incident diffraction grating .
The first pattern and the second pattern are different patterns.
Light guide plate.
前記第1のパターンと前記第2のパターンは、
形状、アスペクト、高さ、デーティ、パターニング領域面積の少なくとも一つが異なる、
請求項1記載の導光板。
The first pattern and the second pattern are
At least one of the shape, aspect, height, duty ratio , patterning area area is different,
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の樹脂はポリカーボネートまたはアクリル樹脂、
前記第2の樹脂は光硬化樹脂である、
請求項1記載の導光板。
The first resin is polycarbonate or acrylic resin,
The second resin is a photocurable resin.
The light guide plate according to claim 1.
前記第1のパターンのピッチが、400nm~450nmである、
請求項1記載の導光板。
The pitch of the first pattern is 400 nm to 450 nm.
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の樹脂はポリカーボネート、
前記第1のパターンのピッチが、360nm~520nm、
前記第1のパターンの高さが、20nm~100nmである、
請求項1記載の導光板。
The first resin is polycarbonate,
The pitch of the first pattern is 360 nm to 520 nm.
The height of the first pattern is 20 nm to 100 nm.
The light guide plate according to claim 1.
前記第2の樹脂は光硬化樹脂、
前記第2のパターンは三角形、
前記第2のパターンのピッチが、360nm~520nm、
前記第2のパターンの高さが、100nm~400nmである、
請求項1記載の導光板。
The second resin is a photocurable resin,
The second pattern is a triangle,
The pitch of the second pattern is 360 nm to 520 nm.
The height of the second pattern is 100 nm to 400 nm.
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の部材が厚さ0.1mm~4.0mmの基板を構成し、
前記第1の回折格子の1次回折効率が0.1%~7.5%である、
請求項1記載の導光板。
The first member constitutes a substrate having a thickness of 0.1 mm to 4.0 mm.
The primary diffraction efficiency of the first diffraction grating is 0.1% to 7.5%.
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の回折格子の1次回折効率が0.5%~5.0%である、
請求項7記載の導光板。
The primary diffraction efficiency of the first diffraction grating is 0.5% to 5.0%.
The light guide plate according to claim 7.
前記第1の回折格子の一部に、回折効率増強領域を設けた、
請求項1記載の導光板。
A diffraction efficiency enhancing region is provided in a part of the first diffraction grating.
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の回折格子が、前記第1のパターンのデューティを光の伝播方向に沿って変化させることにより,回折効率に分布を付与したものである、
請求項1記載の導光板。
The first diffraction grating gives a distribution to the diffraction efficiency by changing the duty ratio of the first pattern along the light propagation direction.
The light guide plate according to claim 1.
前記第2の回折格子の1次回折効率が30%~70%である、
請求項1記載の導光板。
The primary diffraction efficiency of the second diffraction grating is 30% to 70%.
The light guide plate according to claim 1.
請求項1記載の導光板を複数備え、複数の導光板のそれぞれは所定の波長に対応した、互いに異なる前記第1のパターンを有し、複数の前記導光板を積層して形成した、
導光板モジュール。
A plurality of the light guide plates according to claim 1 are provided, and each of the plurality of light guide plates has the first pattern different from each other corresponding to a predetermined wavelength, and is formed by laminating the plurality of the light guide plates.
Light guide plate module.
前記複数の導光板の前記第1のパターンは、ピッチ300nm~550nmの範囲で、異なるピッチに設定される、
請求項12記載の導光板モジュール。
The first pattern of the plurality of light guide plates is set to different pitches in the range of a pitch of 300 nm to 550 nm.
The light guide plate module according to claim 12.
請求項1記載の導光板と、
映像を投影するプロジェクタとを備え、
前記プロジェクタの出射光が,前記第2のパターンを照射するように配置されている、
画像表示装置。
The light guide plate according to claim 1 and
Equipped with a projector that projects images
The emitted light of the projector is arranged so as to illuminate the second pattern.
Image display device.
ポリカーボネートあるいはアクリル樹脂で形成され、表面に第1の回折格子パターンを有する基板を準備する第1の工程と、
前記第1の回折格子パターンの上に、光硬化樹脂を配置する第2の工程と、
前記光硬化樹脂に第2の回折格子パターンを転写する第3の工程と、
前記光硬化樹脂を硬化させる第4の工程と、
を有することを特徴とする導光板の製造方法。
The first step of preparing a substrate which is formed of polycarbonate or acrylic resin and has a first diffraction grating pattern on the surface, and
A second step of arranging the photocurable resin on the first diffraction grating pattern, and
A third step of transferring the second diffraction grating pattern to the photocurable resin, and
The fourth step of curing the photocurable resin and
A method for manufacturing a light guide plate, which comprises.
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