JP7138785B2 - ホログラフィック光学素子の製造方法およびこれにより製造されたホログラフィック光学素子を含むディスプレイ装置 - Google Patents

ホログラフィック光学素子の製造方法およびこれにより製造されたホログラフィック光学素子を含むディスプレイ装置 Download PDF

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Description

本発明は、ホログラフィック光学素子の製造方法およびこれにより製造されたホログラフィック光学素子を含むディスプレイ装置に関する。
最近、拡張現実(AR:Augmented Reality)、複合現実(MR:Mixed Reality)、または仮想現実(VR:Virtual Reality)を実現するディスプレイユニットへの関心が高まるにつれ、これを実現するディスプレイユニットに関する研究が活発化する傾向にある。拡張現実、複合現実、または仮想現実を実現するディスプレイユニットは、光の波動的性質に基づく回折現象を利用する回折導光板を含んでいる。
このような回折導光板としては、主に、複数の格子線パターンを有する複数の回折光学素子(Diffraction Optical Element)を備えるタイプと、干渉パターンが記録された感光材料としてホログラフィック光学素子(Holographic Optical Element)を備えるタイプとが用いられる。
一方、回折光学素子を備えるタイプの場合には、色分解効率 (color separation efficiency)が低くてイメージクロストーク(image crosstalk)が発生することがある。また、回折光学素子または透過型ホログラフィック光学素子を備えるタイプの場合には、全体的な光損失が大きく発生することがある。
これに対し、反射型ホログラフィック光学素子を備えるタイプの場合には、色分解効率が大きく、光損失も回折光学素子/透過型ホログラフィック光学素子に比べて小さいものの、アイボックス(Eye Box)の大きさを決定する射出瞳(Exit Pupil)が小さいという欠点がある。
前述した背景技術は、発明者が本発明の実施例の導出のために保有したか、または導出過程で習得した技術情報であって、必ずしも本発明の実施例の出願前に一般の公衆に公開された公知技術であるとは限らない。
本発明は、複数の射出瞳を形成する反射型ホログラフィック光学素子を製造する方法およびこれにより製造されたホログラフィック光学素子を含むディスプレイ装置を提供する。
ただし、本発明が解決しようとする課題は上記の課題に制限されず、述べていないさらなる他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
本発明の一態様による実施例は、照射方向に沿って光が広がる第1レーザを感光基材の一面に照射するステップと、照射方向に沿って光が集まる第2レーザを前記感光基材の他面に照射するステップとを含み、前記第1レーザおよび前記第2レーザは、前記感光基材上の、前記第1レーザによる光および前記第2レーザによる光が交差する感光領域の任意の位置において、前記第1レーザによる光の進行方向と前記第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在するように照射される、ホログラフィック光学素子の製造方法を提供する。
本発明の他の態様による実施例は、本発明の一態様による実施例により製造されたホログラフィック光学素子を備えるレンズ部と、前記ホログラフィック光学素子に照射方向に沿って広がる光を照射する光照射部とを含み、前記光照射部は、前記第2レーザの光が集まる角度と同じ角度で広がる光を照射する、ディスプレイ装置を提供する。
本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法により製造された反射型ホログラフィック光学素子にプロジェクタ/光照射部を用いて単一波長の光を入力させても、任意の位置において干渉性特性が互いに異なるホログラムが記録されているため、反射によって互いに異なる複数の光反射経路が形成可能で、複数の射出瞳を実現させることができる。
第1レーザおよび第2レーザそれぞれの照射方向および任意の位置における第1レーザおよび第2レーザそれぞれの光の進行方向との関係を概略的に示す図である。 本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、感光領域の任意の位置において第1レーザの光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在することを概略的に示す図である。 本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、第1レーザおよび第2レーザの照射方法の一例を示す図である。 本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、第1レーザおよび第2レーザの照射方法の他の例を示す図である。 本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、第1レーザおよび第2レーザの照射方法のさらなる他の例を示す図である。 本発明の他の態様によるディスプレイ装置の一例を示す図である。 特定の波長の第1レーザおよび第2レーザを用いて製造されたホログラフィック光学素子を備えたレンズ部に特定の波長のレーザ光を照射して複数の射出瞳が形成された結果を確認できるイメージである。
本発明の一態様による実施例は、照射方向に沿って光が広がる第1レーザを感光基材の一面に照射するステップと、照射方向に沿って光が集まる第2レーザを前記感光基材の他面に照射するステップと、を含み、前記第1レーザおよび前記第2レーザは、前記感光基材上の、前記第1レーザによる光および前記第2レーザによる光が交差する感光領域の任意の位置において、前記第1レーザによる光の進行方向と前記第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在するように照射される、ホログラフィック光学素子の製造方法を提供する。
本実施例において、前記第1レーザを照射するステップにおいて、互いに離隔している複数の位置にそれぞれ、照射方向が互いに平行な第1レーザが照射されることができる。
本実施例において、前記第1レーザを照射するステップにおいて、照射方向が互いに異なる複数の第1レーザが照射され、前記第2レーザを照射するステップにおいて、照射方向が互いに異なる複数の第2レーザが照射され、複数の第1レーザのいずれか1つの第1レーザの照射方向と複数の第2レーザのいずれか1つの第2レーザの照射方向とのなす交差角は、他のいずれか1つの第1レーザの照射方向と他のいずれか1つの第2レーザの照射方向とのなす交差角と互いに同一であってもよい。
本実施例において、前記第1レーザを照射するステップおよび前記第2レーザを照射するステップは、前記感光基材を所定の水平中心線を中心として所定の角度周期で回転しながら複数回行われる。
本発明の他の態様による実施例は、本発明の一態様による実施例により製造されたホログラフィック光学素子を備えるレンズ部と、前記ホログラフィック光学素子に照射方向に沿って広がる光を照射する光照射部とを含み、前記光照射部は、前記第2レーザの光が集まる角度と同じ角度で広がる光を照射する、ディスプレイ装置を提供する。
本実施例において、前記光照射部は、単一波長のイメージ光を照射することができる。
本発明は、添付した図面とともに詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現され、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。一方、本明細書で使われた用語は実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は、文章で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使われる「含む(comprises)」および/または「含んでいる(comprising)」は、言及された構成要素、段階、動作および/または素子は、1つ以上の他の構成要素、段階、動作および/または素子の存在または追加を排除しない。第1、第2などの用語は多様な構成要素を説明するのに使われるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は、1つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図1は、第1レーザおよび第2レーザそれぞれの照射方向および任意の位置における第1レーザおよび第2レーザそれぞれの光の進行方向との関係を概略的に示す図であり、図2は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、感光領域の任意の位置において第1レーザの光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在することを概略的に示す図である。
本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法は、拡張現実を実現するディスプレイ装置に用いられるホログラフィック光学素子を製造するためのものであって、感光基材に互いに干渉性(coherent)である2つのレーザを照射してホログラムを記録してホログラフィック光学素子を製造する。
一方、感光基材は、感光層を含むフィルム形態であってもよい。また、感光層は、感光材料を含むことができる。ホログラム関連分野では、ホログラフィック光学素子の複製に使用できる多様な種類の感光材料が公知であり、このような材料が制限なく本発明においても使用可能である。例えば、前記感光材料としては、フォトポリマー(photopolymer)、フォトレジスト(photoresist)、シルバーハライドエマルジョン(silver halide emulsion)、重クロム酸ゼラチン(dichromated gelatin)、フォトグラフィックエマルジョン(photographic emulsion)、フォトサーモプラスチック(photothermoplastic)、または光回折(photorefractive)材料などが使用できる。前記感光基材は、光学的に透明でありかつ異方性がないフィルムであってもよく、例えば、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン(PP)、ポリアミド(PA)、またはポリエチレンテレフタレート(PET)などを含む基材であってもよいが、特に限定されない。
本発明の一態様による製造方法により製造しようとするホログラフィック光学素子は、反射型ホログラフィック光学素子であって、感光基材の一面上に物体波を照射し、一面と反対となる感光基材の他面上に基準波を照射する方式で製造できると知られている。
本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法は、感光基材の一面に照射方向に沿って光が広がる第1レーザを照射するステップと、感光基材の他面に照射方向に沿って光が集まる第2レーザを照射するステップとを含み、第1レーザおよび第2レーザは、感光基材上の、第1レーザによる光および第2レーザによる光が交差する感光領域の任意の位置において、前記第1レーザによる光の進行方向と前記第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在するように照射される。ここで、第1レーザおよび第2レーザは、干渉性を利用するために同時に照射されてもよい。これによって、感光基材の任意の位置において干渉性特性が互いに異なる複数のホログラムが記録される。本発明の一態様による製造方法により製造された反射型ホログラフィック光学素子にプロジェクタ/光照射部を用いて単一波長の光を入力させても、任意の位置において干渉性特性が互いに異なるホログラムが記録されているため、反射によって互いに異なる複数の光反射経路が形成可能で、複数の射出瞳を実現させることができる。
ここで、第1レーザおよび第2レーザは、互いに同じ単一波長の光で照射されてもよい。
まず、図1を参照して、第1レーザおよび第2レーザそれぞれの照射方向および任意の位置における第1レーザおよび第2レーザそれぞれの光の進行方向との関係を説明する。
第1レーザL1は、照射方向に沿って光が広がるレーザである。第1レーザL1の照射方向は、光が集まっている地点A1を中心として断面基準(図1の(a)基準)で広がっている光の両最外角地点B1a、B1bのなす角度θ1を二等分する線L1_cが光の次第に広がる方向側に延びている方向を意味することができる。任意の位置Pにおいて、第1レーザL1による光の進行方向は、光が集まっている地点A1と任意の位置Pとを連結する線L1_Pが光の次第に広がる方向側に延びている方向を意味することができる。
第2レーザL2は、照射方向に沿って光が集まるレーザである。第2レーザL2の照射方向は、光が集まっている地点A2を中心として断面基準(図1の(b)基準)で広がっている光の両最外角地点B2a、B2bのなす角度θ2を二等分する線L2_cが光の次第に集まる方向側に延びている方向を意味することができる。任意の位置Pにおいて、第2レーザL2による光の進行方向は、光が集まっている地点A2と任意の位置Pとを連結する線L2_Pが光の次第に集まる方向側に延びている方向を意味することができる。
図2を参照して、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、感光領域の任意の位置において第1レーザの光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在することを説明する。
例えば、図2の(a)に示されるように、第1レーザは、感光基材10の一面10aに照射され、ここで、第1レーザは、進行方向が互いに異なる複数の光が同時または順序を異ならせて感光基材10の任意の位置Pに到達できるように同時または順序を異ならせて複数回照射されることが好ましい。第2レーザは、感光基材10の他面10bに照射される。この時、感光基材10の任意の位置Pに到達する第2レーザの光の進行方向は単一L2_Pと定義され、感光基材10の任意の位置Pに到達する第1レーザの光の進行方向は複数L1a_P、L1b_P、L1c_Pと定義されるため、結局、第1レーザと第2レーザが互いに干渉する感光領域の任意の位置Pにおいて第1レーザによる光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角θa、θb、θcが互いに異なる複数のグループL1a_P-L2_P、L1b_P-L2_P、L1c_P-L2_Pが存在できる。
他の例として、図2の(b)に示されるように、第1レーザは、感光基材10の一面10aに照射されてもよい。第2レーザは、感光基材10の他面10bに照射され、ここで、第2レーザは、進行方向が互いに異なる複数の光が同時または順序を異ならせて感光基材10の任意の位置Pに到達できるように同時または順序を異ならせて複数回照射される。この時、感光基材10の任意の位置Pに到達する第1レーザの光の進行方向は単一L1_Pと定義され、感光基材10の任意の位置Pに到達する第2レーザの光の進行方向は複数L2a_P、L2b_Pと定義されるため、結局、第1レーザと第2レーザが互いに干渉する感光領域の任意の位置Pにおいて第1レーザによる光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角θa’、θb’が互いに異なる複数のグループL1_P-L2a_P、L1_P-L2b_Pが存在できる。
図3は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、第1レーザおよび第2レーザの照射方法の一例を示す図である。
図3を参照すれば、第1レーザを照射するステップは、感光基材10の幅方向(図3基準で横方向)に沿って互いに離隔している複数の位置においてそれぞれ照射方向L1a_c、L1b_c、L1c_cが互いに平行な第1レーザを照射することができる。この時、複数の第1レーザL1a、L1b、L1cは、同時または順序を異ならせて照射される。ただし、干渉性を利用したホログラム記録のために、第2レーザL2は、各第1レーザL1a、L1b、L1cと同時に照射される。この場合、感光領域の任意の位置Pにおいては、複数の第1レーザL1a、L1b、L1cによる進行方向が互いに異なる複数の光L1a_P、L1b_P、L1c_Pが到達し、第2レーザL2によって任意の位置Pに到達する光L2_Pとの関係から、任意の位置Pにおいて第1レーザL1a、L1b、L1cによる光の進行方向と第2レーザL2による光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループL1a_P-L2_P、L1b_P-L2_P、L1c_P-L2_Pが存在できる。
図4は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、第1レーザおよび第2レーザの照射方法の他の例を示す図である。
第1レーザを照射するステップは、照射方向が互いに異なる複数の第1レーザを照射し、第2レーザを照射するステップは、照射方向が互いに異なる複数の第2レーザを照射することができる。図4の(a)および(b)を参照すれば、第1レーザL1a’、L1b’は、互いに異なる照射方向L1a’_c、L1b’_cに照射されており、第2レーザL2a’、L2b’も、互いに異なる照射方向L2a’_c、L2b’_cに照射されている。一方、複数の第1レーザL1a’、L1b’のいずれか1つの第1レーザL1a’と複数の第2レーザのいずれか1つの第2レーザL2a’との各照射方向L1a’_c、L2a’_cのなす交差角θ4aは、他のいずれか1つの第1レーザL1b’と他のいずれか1つの第2レーザL2b’との各照射方向L1b’_c、L2b’_cのなす交差角θ4bと互いに同一であってもよい。このような方法で第1レーザと第2レーザを照射しても、感光基材10上の、感光領域の任意の位置Pにおいては、第1レーザによる光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在できる。
図5は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法において、第1レーザおよび第2レーザの照射方法のさらなる他の例を示す図である。
第1レーザを照射するステップおよび第2レーザを照射するステップは、感光基材10を所定の水平中心線C(図5の平面に垂直な方向)を中心として所定の角度で回転しながら複数回行われる。このような方法で第1レーザL1’と第2レーザL2’を照射しても、感光基材10上の、感光領域の任意の位置Pにおいては、第1レーザによる光の進行方向と第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在できる。
図6は、本発明の他の態様によるディスプレイ装置の一例を示す図である。
本発明の他の態様によるディスプレイ装置1000は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造方法により製造されたホログラフィック光学素子110を備えるレンズ部100と、ホログラフィック光学素子110に照射方向に沿って広がる光Li_a、Li_bを照射する光照射部200とを含むことができる。
レンズ部100は、透明なガラス基材または高分子樹脂基材の一面にホログラフィック光学素子110を配置して、自然界の外光は透過できるようにして、ディスプレイのユーザが自然界の物体、背景などをそのまま認識できるようにすると同時に、光照射部200を通して入力された光が、反射型ホログラフィック光学素子110によって反射して、ユーザが認識する自然界の物体、背景などに浮かんでいる虚像としてディスプレイできるようにする。
光照射部200は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造時に用いられた第2レーザの光が集まる角度θL2と実質的に同じ角度で広がる光Li_a、Li_bを照射することができる。
光照射部200は、単一波長の光Li_a、Li_bを照射することができる。詳しくは、光照射部200は、本発明の一態様によるホログラフィック光学素子の製造時に用いられた第2レーザと同じ単一波長の光を照射することができる。
本発明の実施例によるディスプレイ装置1000は、ホログラフィック光学素子110の任意の位置Pに干渉性特性が互いに異なるホログラムが記録されているため、レンズ部100側に単一波長の光を照射して入力しても、反射によって互いに異なる複数の光反射経路Lo_a、Lo_a’;Lo_b、Lo_b’が形成可能で、複数の射出瞳EP1、EP2、EP3を実現させることができる。光を、射出瞳が多ければ多いほど、アイボックス(Eye Box)を大きく形成することができるが、本ディスプレイ装置1000の場合には複数の射出瞳を実現可能なため、ユーザごとにレンズ部100に対する実際の瞳孔の位置が異なっていてもマッチングされる射出瞳が複数個存在するので、多様な身体条件のユーザに対応して利用できるという利点がある。また、複数の射出瞳を実現するにあたり、本ディスプレイ装置1000の場合には互いに異なる波長の光を照射する複数のレーザを用いなくても良いという利点がある。
図7は、特定の波長の第1レーザおよび第2レーザを用いて製造されたホログラフィック光学素子を備えたレンズ部に特定の波長のレーザ光を照射して複数の射出瞳が形成された結果を確認できるイメージである。
具体的には、本実施例におけるホログラフィック光学素子は、532nmの波長の第1レーザおよび第2レーザを用いて製造され、光照射部によって532nmの波長のレーザを、本実施例におけるホログラフィック光学素子を備えたレンズ部に照射して、レンズ部から特定の距離にスクリーンSを位置させた結果、スクリーンに3つの射出瞳EP1、EP2、EP2が位置することを確認することができた。
たとえ、本発明が上述した好ましい実施例に関して説明されたが、発明の要旨と範囲を逸脱することなく多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、添付した特許請求の範囲には、本発明の要旨に属する限り、かかる修正や変形を含む。
10 感光基材
10a 一面
10b 他面
100 レンズ部
110 ホログラフィック光学素子
200 光照射部
1000 ディスプレイ装置
C 水平中心線
L1 第1レーザ
L1’ 第1レーザ
L1a 第1レーザ
L1a’ 第1レーザ
L1b 第1レーザ
L1b’ 第1レーザ
L1c 第1レーザ
L2 第2レーザ
L2’ 第2レーザ
L2b’ 第2レーザ

Claims (4)

  1. 照射方向に沿って光が広がる第1レーザを感光基材の一面に照射するステップと、
    照射方向に沿って光が集まる第2レーザを前記感光基材の他面に照射するステップと、を含み、
    前記第1レーザおよび前記第2レーザは、前記感光基材上の、前記第1レーザによる光および前記第2レーザによる光が交差する感光領域の任意の位置において、前記第1レーザによる光の進行方向と前記第2レーザによる光の進行方向とのなす交差角が互いに異なる複数のグループが存在するように照射され、
    前記感光基材は平面であり、
    前記第1レーザを照射するステップにおいて、前記感光基材の幅方向に沿って互いに離隔している複数の位置にそれぞれ、複数の第1レーザが照射されるホログラフィック光学素子の製造方法。
  2. 前記複数の第1レーザの照射方向が互いに平行である、請求項1に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
  3. 前記第1レーザを照射するステップにおいて、照射方向が互いに異なる複数の第1レーザが照射され、
    前記第2レーザを照射するステップにおいて、照射方向が互いに異なる複数の第2レーザが照射され、
    複数の第1レーザのいずれか1つの第1レーザの照射方向と複数の第2レーザのいずれか1つの第2レーザの照射方向とのなす交差角は、他のいずれか1つの第1レーザの照射方向と他のいずれか1つの第2レーザの照射方向とのなす交差角と互いに同一である、請求項1に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
  4. 前記第1レーザを照射するステップおよび前記第2レーザを照射するステップは、前記感光基材を所定の水平中心線を中心として所定の角度で回転しながら複数回行われる、請求項1~3の何れか一項に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
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