JP7183422B2 - 回折導光板およびこれを含むディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折導光板および回折導光板を含むディスプレイ装置に関する。

最近、拡張現実（ＡＲ：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備えている。

図１は、従来技術による回折導光板を概略的に示す図である。

このような回折導光板１０は、光ガイド部１１と、光ガイド部１１の一面または他面側に設けられ、複数の線状格子パターンを有する複数の回折光学素子１２、１３、１４とを備えることができる。具体的には、回折導光板１０は、マイクロ光源出力素子Ｐを介して出力された光が入力され、光ガイド部１１上に案内されるようにする入力回折光学素子１２と、光ガイド部１１を介して入力回折光学素子１２と光学的にカップリングされ、入力回折光学素子１２から受光された光を回折により第１方向（図１中のｘ軸方向）への一次元的な拡張が行われるようにする中間回折光学素子１３と、光ガイド部１１を介して中間回折光学素子１３と光学的にカップリングされ、中間回折光学素子１３から受光された光を回折により第２方向（図１中のｙ軸方向）への一次元的な拡張が行われるように、且つ光ガイド部１１から出力されて使用者の瞳孔に向けられるようにする出力回折光学素子１４とを備えることができる。

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

一方、従来技術による回折導光板の場合には、単一の入力回折光学素子１２、単一の中間回折光学素子１３、および単一の出力回折光学素子１４が光ガイド部１１上で互いに分離されて配置されるため、光ガイド部１１上で出力回折光学素子１４の占める面積は、光ガイド部１１上で入力回折光学素子１２および中間回折光学素子１３の占める面積を除いた面積に制限されるため、より大きな光イメージを出力することの限界と、使用者の瞳孔の位置偏差による可視領域が制限される限界が伴った。

このような限界を解決するために、図２に示されるような構造の回折導光板が考えられる。

図２は、光ガイド部２１と、入力回折光学素子２２と、互いに異なる線状格子パターンを有し、当接している２つの回折光学素子２３、２４とを含む回折導光板を示す。

図３Ａは、図２に示された回折導光板を介して進行する光経路の一例を概略的に示す平面図であり、図３Ｂは、図２に示された回折導光板を介して進行する光経路の他の例を概略的に示す平面図である。

光ガイド部２１は、内部全反射を利用して内部で光を案内する。

入力回折光学素子２２は、光源から出力された光Ｌ１、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂが入力され、光ガイド部２１上で案内できるように入力された光Ｌ１、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを回折させることができる。

２つの回折光学素子２３、２４は、回折された光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを受光し、受光された光が回折により一次元的に拡張できるように構成される。入力回折光学素子２２から受光された回折光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、他方の回折光学素子２３、２４を経て、一部は回折されて光経路が変更され、残りは既存の光経路に全反射できるため、入力回折光学素子２２から最初に受光された光は、このような回折が特定の方向に離隔した地点で複数回行われながら複数のビームＬ３ａ、Ｌ３ｂに分割されていき、結果として、一次元的な拡張が行われる。

２つの回折光学素子２３、２４それぞれは、他方の回折光学素子２４、２３から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光し、受光された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａが回折により光ガイド部２１から出力されるように構成される。一方、２つの回折光学素子２３、２４それぞれはまた、他方の回折光学素子２４、２３から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光し、受光した光を回折により一次元的に拡張することができる。この時、２つの回折光学素子２３、２４それぞれの受光側Ｃを基準として、他方の回折光学素子２４、２３によって拡張された光が形成する複数のビームＬ３ｂ、Ｌ３ａが離隔している方向と、単一ビームＬ３ｂ、Ｌ３ａを基準として２つの回折光学素子２３、２４によって拡張された複数のビームＬ４ｂ、Ｌ４ａが離隔している方向とは互いに交差するので、結果として、光源から入力回折光学素子２２が受光する光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ基準では二次元的な拡張が行われる。

２つの回折光学素子２３、２４それぞれは、他方の回折光学素子２４、２３から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光する受光側Ｃが他方の回折光学素子２４、２３の受光側Ｃに当接しているように構成される。光源から出力された光は、入力回折光学素子２２－２つの回折光学素子２３、２４－他方の回折光学素子２４、２３を経て光ガイド部２１から出力されるが、このように光ガイド部２１から出力される光は、他方の回折光学素子２４、２３それぞれによって出力された光が集まって１つのイメージ光を形成することができる。

すなわち、２つの回折光学素子２３、２４をすべて出力回折光学素子として用いるため、図１に示されるように、単一の出力回折光学素子を用いる場合より、空間を効率的に利用しながらも視野角がより大きなイメージ光を形成することができる。

図４は、図３Ａおよび／または図３Ｂに示された回折導光板のＩＩＩ－ＩＩＩ’線に沿った断面図である。

２つの回折光学素子２３、２４それぞれを介して回折されて光ガイド部２１から出力される光は、光ガイド部２１の一面に対して所定の出射角θ、θ’で出力される。図４を基準として、上側に位置した回折光学素子２３によって回折されて出力される光Ｌ４ａは、光ガイド部２１の一面に対して所定の出射角θをもって下方に傾斜して出力され、下側に位置した回折光学素子２４によって回折されて出力される光Ｌ４ｂは、光ガイド部２１の一面に対して所定の出射角θ’をもって上方に傾斜して出力される。

光ガイド部２１の一面から所定距離離隔した位置において、上側に位置した回折光学素子２３によって回折されて出力される光Ｌ４ａと、下側に位置した回折光学素子２４によって回折されて出力される光Ｌ４ｂとは互いに交差する交差領域Ｉを形成する。光ガイド部２１の一面から離隔した距離が、使用者の瞳孔が位置するアイレリーフ（Ｅｙｅ Ｒｅｌｉｅｆ）だけの距離であれば、使用者の瞳孔は交差領域Ｉに位置してこそ、使用者は全体領域中の暗く見える部分なしに正常なイメージ光を視認することができる。もし、使用者の瞳孔が交差領域Ｉの上側に位置した領域Ａに位置すれば、下側に位置した回折光学素子２４によって回折されて出力される光Ｌ４ｂが使用者によって視認できず、使用者によって視認されるイメージ光はＩＩＩ－ＩＩＩ’線の断面を基準として下方が暗く見えることがある。逆に、使用者の瞳孔が交差領域Ｉの下側に位置した領域Ｂに位置すれば、上側に位置した回折光学素子２３によって回折されて出力される光Ｌ４ａが使用者によって視認できず、使用者によって視認されるイメージ光はＩＩＩ－ＩＩＩ’線の断面を基準として上方が暗く見えることがある。

回折導光板を備えるディスプレイユニットを用いる使用者は、個別の身体的特性によって光ガイド部の一面側の上下方向を基準として瞳孔の位置する地点が多様であり得る。したがって、正常なイメージ光を視認できる領域であるアイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ）に関連する交差領域Ｉを上下に長く形成できる回折導光板の構造が要求される。

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ているか、導出過程で習得した技術情報であって、必ずしも本発明の実施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、視野角およびアイモーションボックスを大きく形成できる回折導光板およびその回折導光板を含むディスプレイ装置を提供しようとする。

ただし、本発明が解決しようとする課題は上述した課題に制限されず、言及されていないさらに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。

本発明の一側面による実施例は、光を案内するための光ガイド部と、光源から出力された光が入力され、前記光ガイド部上で案内できるように前記入力された光を回折させる入力回折光学素子と、前記光ガイド部の予め定めた領域内に配置されている互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子とを含み、前記２つの出力回折光学素子それぞれは、前記入力回折光学素子から光を受光し、受光された光が回折により他方の出力回折光学素子に向けられるように構成され、前記２つの出力回折光学素子それぞれは、他方の出力回折光学素子から光を受光し、受光された光が回折により前記光ガイド部から出力されるように構成され、前記２つの出力回折光学素子は、前記光ガイド部上で互いに重なっている領域を形成せずに当接しており、前記予め定めた領域内で少なくとも所定の幅をもって前記入力回折光学素子と隣接した側から反対側に長く区画された中央領域では、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子が少なくとも一次元的に交差配列される、回折導光板を提供する。

本実施例において、前記２つの出力回折光学素子は、前記中央領域で二次元的に交差配列されることが好ましい。

本実施例において、前記２つの出力回折光学素子は、前記予め定めた領域全体で二次元的に交差配列されることが好ましい。

本実施例において、前記２つの出力回折光学素子が交差配列される領域における２つの出力回折光学素子のそれぞれの幅は、４ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施例において、前記２つの出力回折光学素子が交差配列される領域における２つの出力回折光学素子のそれぞれの長さは、４ｍｍ以下であることが好ましい。

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

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

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

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

本発明の他の側面による実施例は、映像を形成する映像光を出力する光源と、本発明の一側面の実施例による回折導光板とを含むディスプレイ装置を提供する。

本発明の実施例によれば、２つの出力回折光学素子それぞれによって光ガイド部から拡張された映像光を出力するため、単一の回折光学素子だけで光ガイド部から映像光を出力する場合より、視野角がより大きな映像光を形成できるという利点がある。

また、予め定めた領域内に少なくとも所定の幅をもって入力回折光学素子と隣接した側から反対側に長く区画された中央領域に、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子が少なくとも一次元的に交差配列されて、光ガイド部の一面からアイレリーフ（Ｅｙｅ Ｒｅｉｌｉｆ）だけ離隔した位置でアイモーションボックスを長く形成できるため、本発明の実施例による回折導光板を用いて多様な身体条件を有する使用者の瞳孔に幅広く対応可能なディスプレイ装置を提供できるという利点がある。

従来技術による回折導光板を概略的に示す図である。 光ガイド部と、入力回折光学素子と、互いに異なる線状格子パターンを有し、当接している２つの回折光学素子とを含む回折導光板を示す。 図２に示された回折導光板を介して進行する光経路の一例を概略的に示す平面図である。 図２に示された回折導光板を介して進行する光経路の他の例を概略的に示す平面図である。 図３Ａおよび／または図３Ｂに示された回折導光板のＩＩＩ－ＩＩＩ’線に沿った断面図である。 本発明の一側面による回折導光板を概略的に示す図である。 本発明の一側面による回折導光板が備える複数の回折光学素子に含まれる格子の平面図である。 本発明の一側面による回折導光板が備える複数の回折光学素子に含まれる格子の平面図である。 本発明の一側面による回折導光板が備える複数の回折光学素子に含まれる格子の平面図である。 本発明の一側面による回折導光板が備える複数の回折光学素子に含まれる各格子ベクトルの組み合わせを示す図である。 本発明の一側面による多様な実施例の回折導光板の平面図である。 本発明の一側面による多様な実施例の回折導光板の平面図である。 本発明の一側面による多様な実施例の回折導光板の平面図である。 図５に示された回折導光板のＩＸ－ＩＸ’線に沿った断面図である。 本発明の比較例による回折導光板から出力される光のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の比較例による回折導光板によって出力されるイメージを撮像した結果である。 本発明の一実施例による回折導光板から出力される光のシミュレーション結果を示す図である。

本発明は、添付した図面とともに詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現され、単に本実施例は本発明の開示が完全となるようなものであり、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「含む（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。

本明細書において、用語「光ガイド部」は、内部全反射を利用して内部で光を案内する構造と定義される。内部全反射のための条件は、光ガイド部の屈折率が、光ガイド部の表面に隣接した周辺媒体の屈折率より大きくなければならない。光ガイド部は、ガラスおよび／またはプラスチック素材を含んで形成され、透明または半透明であってもよい。光ガイド部は、プレートタイプに多様なレイアウトで形成可能である。ここで、用語「プレート」は、一面およびその反対側の他面との間に所定の厚さを有する３次元構造体を意味し、その一面および他面は、実質的に平坦な平面であってもよいが、その一面および他面の少なくとも１つの面は、一次元的または二次元的に湾曲して形成されてもよい。例えば、プレートタイプの光ガイド部は一次元的に湾曲して、その一面および／または他面が円柱の側面の一部に対応する形状を有することができる。ただし、その湾曲により形成される曲率は、光ガイド部上で光を案内するために内部全反射が容易となるように十分に大きな曲率半径を有することが好ましい。

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

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

図５は、本発明の一側面による回折導光板を概略的に示す図であり、図６Ａ～図６Ｃは、本発明の一側面による回折導光板が備える複数の回折光学素子に含まれた格子の平面図であり、図７は、本発明の一側面による回折導光板が備える複数の回折光学素子に含まれた各格子ベクトルの組み合わせを示す図である。

図８Ａ～図８Ｃは、本発明の一側面による多様な実施例の回折導光板の平面図であり、図９は、図５に示された回折導光板のＩＸ－ＩＸ’線に沿った断面図である。

図２～図９を参照すれば、回折導光板１００は、光ガイド部１１０と、入力回折光学素子１２０と、２つの出力回折光学素子１３０、１４０とを含むことができる。

光ガイド部１１０は、内部全反射を利用して内部で光を案内することができる。

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

このような入力回折光学素子１２０は、光ガイド部１１０の一面１１０ａ（例えば、図５基準で左側）上に配置される。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部の一面１１０ａまたは他面１１０ｂに予め定めた領域Ｓ内に配置される。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、互いに異なる線状格子パターンを備える。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれは、入力回折光学素子１２０から光を受光し、受光された光が回折により他方の出力回折光学素子１４０、１３０に向けられるように構成される。また、２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれは、入力回折光学素子１２０から回折された光を受光し、受光された光が回折により一次元的に拡張できるように構成される。入力回折光学素子１２０から受光された回折光は、他方の回折光学素子１３０、１４０を経て、一部は回折されて光経路が変更され、残りは既存の光経路に全反射できるため、入力回折光学素子１２０から最初に受光された光は、このような回折が特定の方向に離隔した地点で複数回行われながら複数のビームに分割されていき、結果として、一次元的な拡張が行われる。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他方の回折光学素子１４０、１３０から拡張された光を受光し、受光された光が回折により光ガイド部１１０から出力されるように構成される。一方、２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれはまた、他方の出力回折光学素子１４０、１３０から拡張された光を受光し、受光した光を回折により一次元的に拡張することができる。この時、入力回折光学素子１２０から受光されて２つの出力回折光学素子１３０、１４０によって拡張された光が形成する複数のビームが離隔している方向と、他方の出力回折光学素子１４０、１３０から受光されて２つの出力回折光学素子１３０、１４０によって拡張された複数のビームが離隔している方向とは互いに交差するため、結果として、出力回折光学素子１３０、１４０によって拡張された複数のビームによって出力される光は、光源から入力回折光学素子１２０が受光する光を基準として二次元的な拡張が行われるものと取り扱うことができる。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上で製造工程の設計誤差などによって一部重なって形成されることがある。

ただし、２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上で互いに重なっている領域を形成しないことが好ましい。１つの出力回折光学素子上で回折により他方の出力回折光学素子側に全反射して進行する光の場合には、その回折光学素子上の離隔している線状格子パターンに接するたびに、意図したところの全反射経路通りに進行せずに少しずつその光経路がずれることがある。したがって、２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他方の出力回折光学素子１４０、１３０と光ガイド部１１０の平面図を基準として互いに区別される領域に重ならないようにして、１つの出力回折光学素子が他方の出力回折光学素子の占める領域に過度に面積を占めるのを防止し、これによって、実際に光経路が意図したところの全反射経路から過度にずれるのを防止することができる。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他方の出力回折光学素子１４０、１３０と当接していることが好ましい。光源から出力された光は、入力回折光学素子１２０－２つの出力回折光学素子１３０、１４０－他方の出力回折光学素子１４０、１３０を経て光ガイド部１１０から出力されるが、このように光ガイド部１１０から出力される光は、他方の出力回折光学素子１４０、１３０それぞれによって出力された光が集まって１つのイメージ光を形成する。したがって、２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他方の出力回折光学素子１４０、１３０と当接させることで、出力されるイメージ光が互いに分割されないようにする必要がある。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０が配置される予め定めた領域Ｓ内には、少なくとも所定の幅（図５基準で上下方向の幅）をもって入力回折光学素子１２０と隣接した側Ｓ１から反対側Ｓ２に長く区画された中央領域Ｍが定義される。このような中央領域Ｍには、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が少なくとも一次元的に交差配列される。ここで、一次元的に交差配列されるというのは、２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が中央領域Ｍの長手方向（図５基準で左右方向）に沿って交互に配列されることを意味する。

例えば、図８Ａに示されるように、中央領域Ｍ内の入力回折光学素子１２０と隣接した側Ｓ１に、予め定めた領域Ｓの上側に配置される出力回折光学素子１３０と同じ線状格子パターンを有する出力回折光学素子１３０’が最も先に配列され、その次に予め定めた領域Ｓの下側に配置される出力回折光学素子１４０と同じ線状格子パターンを有する出力回折光学素子１４０’が配列され、順次に互いに異なる出力回折光学素子１３０’、１４０’が互いに交互に配列される。

互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’は、中央領域で二次元的に交差配列される。ここで、二次元的に交差配列されるというのは、２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が中央領域Ｍの長手方向（図５基準で左右方向）だけでなく、幅方向（図５基準で上下方向）に沿っても交互に配列されることを意味する。すなわち、行列状に配列される。

例えば、図８Ｂに示されるように、中央領域Ｍ内に、予め定めた領域Ｓの上側に配置される出力回折光学素子１３０と同じ線状格子パターンを有する出力回折光学素子１３０’と、予め定めた領域Ｓの下側に配置される出力回折光学素子１４０と同じ線状格子パターンを有する出力回折光学素子１４０’とがｍ×ｎの行列状に、二次元的に交差配列される。ここで、ｍとｎは、正の整数であって、導光板のサイズに応じて多様な値から選択可能である。

互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’は、予め定めた領域Ｓ全体で二次元的に交差配列される。ここで、二次元的に交差配列されるというのは、２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が予め定めた領域Ｓの長手方向（図５基準で左右方向）だけでなく、幅方向（図５基準で上下方向）に沿っても交互に配列されることを意味する。すなわち、行列状に配列される。

例えば、図８Ｃに示されるように、予め定めた領域Ｓ内に、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が１２×２２の行列状に、二次元的に交差配列される。

一方、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’は、光ガイド部１１０上で製造工程の設計誤差などによって一部重なって形成されることがある。ただし、前述のように、実際に光経路が意図したところの全反射経路から過度にずれるのを防止するために、２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’は、光ガイド部１１０上で互いに重なっている領域を形成しないことが好ましい。同時に、前述のように、出力されるイメージ光が互いに分割されないように、２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’それぞれは、他の出力回折光学素子１４０’、１３０’と当接していることが好ましい。

２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が交差配列される領域における２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’のそれぞれの幅および／または長さは、４ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

一般的に、人の瞳孔の大きさは、昼間に平均約２ｍｍ程度の大きさを有し、夜間に平均約４ｍｍ程度の大きさを有するため、隣接交差配列される２つの互いに異なる出力回折光学素子１３０’、１４０’を介して回折され、光ガイド部１１０から出力されるそれぞれの光が分離されて視認されないようにするためである。

一方、図８Ａ～８Ｃには、互いに異なる出力回折光学素子１３０’、１４０’が同一の幅および／または長さを有するものとして示されているが、これに限定されず、交差配列される互いに異なる出力回折光学素子１３０’、１４０’のそれぞれの大きさは、任意に異なっていてもよい。

図９を参照すれば、本発明の一側面による回折導光板１００において、２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれを介して回折されて光ガイド部１１０から出力される光は、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θ、θ’で出力される。図９を基準として、上側に位置した出力回折光学素子１３０によって回折されて出力される光Ｌ４ａ’は、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θをもって下方に傾斜して出力され、下側に位置した出力回折光学素子１４０によって回折されて出力される光Ｌ４ｂ’は、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θ’をもって上方に傾斜して出力される。

一方、光ガイド部１１０の中央領域Ｍには２つの出力回折光学素子１３０’、１４０’が少なくとも一次元的に交差配列されて混在しているため、中央領域Ｍでは、上側に位置した出力回折光学素子１３０と同じ線状格子パターンを有する出力回折光学素子１３０’によって回折されて出力される光Ｌ４ａ’、および下側に位置した出力回折光学素子１４０と同じ線状格子パターンを有する出力回折光学素子１４０’によって回折されて出力される光Ｌ４ｂ’が混在することができる。

これによって、上側に位置した出力回折光学素子１３０および中央領域に位置した同じ線状格子パターンの出力回折光学素子１３０’によって回折され、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θをもって下方に傾斜して出力される光Ｌ４ａ’の占める領域は、前述したところの回折導光板２０における上側に位置した出力回折光学素子２３によって回折され、光ガイド部２１の一面に対して所定の出射角θをもって下方に傾斜して出力される光Ｌ４ａの占める領域よりも大きい。

また、下側に位置した出力回折光学素子１４０および中央領域に位置した同じ線状格子パターンの出力回折光学素子１４０’によって回折され、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θ’をもって上方に傾斜して出力される光Ｌ４ｂ’の占める領域は、前述したところの回折導光板２０における下側に位置した出力回折光学素子２４によって回折され、光ガイド部２１の一面に対して所定の出射角θ’をもって上方に傾斜して出力される光Ｌ４ｂの占める領域よりも大きい。

したがって、上側に位置した出力回折光学素子１３０および中央領域に位置した同じ線状格子パターンの出力回折光学素子１３０’によって回折され、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θをもって下方に傾斜して出力される光Ｌ４ａ’と、下側に位置した出力回折光学素子１４０および中央領域に位置した同じ線状格子パターンの出力回折光学素子１４０’によって回折され、光ガイド部１１０の一面に対して所定の出射角θ’をもって上方に傾斜して出力される光Ｌ４ｂ’とが互いに交差する交差領域Ｉ’は、前述したところの回折導光板２０による光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂが互いに交差する交差領域Ｉより上下方向により長い長さを有することができる。

すなわち、光ガイド部１１０の一面からアイレリーフ（Ｅｙｅ Ｒｅｉｌｉｆ）だけ離隔した位置で交差領域Ｉ’を長く形成できることから、多様な身体条件を有する使用者の瞳孔に幅広く対応可能であるという利点があり得る。

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

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

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

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

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

一実施例として、入力回折光学素子１２０は、図６Ａに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと９０゜の角度をなす線状格子を有し、２つの出力回折光学素子１３０、１４０のうち予め定めた領域Ｓ内の上側に位置した出力回折光学素子１３０は、図６Ｂに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと－３０゜の角度をなす線状格子を有し、予め定めた領域Ｓ内の下側に位置した出力回折光学素子１４０は、図６Ｃに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと＋３０゜の角度をなす線状格子を有することができる。それぞれの線状格子のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３はすべて同一で、これによる回折光学素子１２０、１３０、１４０の格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の大きさはすべて同一である。格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の方向は、それぞれの線状格子が延びる方向と垂直であるため、入力回折光学素子１２０の格子ベクトルＶ１の方向はｘ軸方向と平行であり、予め定めた領域Ｓ内の上側に位置した出力回折光学素子１３０の格子ベクトルＶ２の方向は、ｘ軸方向に対して－１２０゜の角度をなし、予め定めた領域Ｓ内の下側に位置した出力回折光学素子１４０の格子ベクトルＶ３の方向は、ｘ軸方向に対して＋１２０゜の角度をなすことができる。これによって、入力回折光学素子１２０と２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３は、互いに６０゜の角度を形成して、それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の和は、０の大きさを有する。

２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上の同一平面上に提供されることが好ましい。本発明の一実施例において、２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０の一面１１０ａに提供される。２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上の同一平面上で互いに重なる領域を形成しないように構成されるため、２つの出力回折光学素子１３０、１４０の製造に際して、１つのモールドに２つの回折光学素子１３０、１４０が有する線状格子を形成できる格子パターンをすべて具備させることで、一度に２つの出力回折光学素子１３０、１４０の線状格子を形成できるという利点がある。

本発明の他の側面によるディスプレイ装置（図示せず）は、映像を形成する映像光を出力する光源（図示せず）と、本発明の一側面による回折導光板１００とを含むことができる。光源から出力された映像光は、入力回折光学素子１２０に入力および回折されて２つの出力回折光学素子１３０、１４０にカップリングされ、２つの出力回折光学素子１３０、１４０は、カップリングされて受光された光を回折させて一次元的に拡張し、一次元的に拡張された光は、他方の出力回折光学素子１４０、１３０にカップリングされ、回折により光ガイド部１１０から出力される。２つの出力回折光学素子１３０、１４０それぞれによって光ガイド部１１０から拡張された映像光を出力するため、単一の回折光学素子だけで光ガイド部１１０から映像光を出力する場合より、視野角がより大きな映像光を形成できるという利点がある。

同時に、本発明の一実施例によれば、予め定めた領域Ｓ内で少なくとも所定の幅をもって入力回折光学素子１２０と隣接した側Ｓ１から反対側Ｓ２に長く区画された中央領域では、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子が少なくとも一次元的に交差配列されて、光ガイド部１１０の一面からアイレリーフ（Ｅｙｅ Ｒｅｉｌｉｆ）だけ離隔した位置で交差領域Ｉ’を長く形成できることから、いわゆるアイモーションボックスを広く形成して、多様な身体条件を有する使用者の瞳孔に幅広く対応可能であるという利点がある。

図１０は、本発明の比較例による回折導光板から出力される光のシミュレーション結果を示す図であり、図１１は、本発明の比較例による回折導光板によって出力されるイメージを撮像した結果である。

比較例は、２つの出力回折光学素子が上下に分離配列されているが、２つの出力回折光学素子が光ガイド部の長手方向に沿っては交差配列されない回折導光板である。

図１０（ａ）は、入力回折光学素子側に垂直に光が入射する時、出力回折光学素子を介して出力される光経路をシミュレーションしたものであり、図１０（ｂ）は、入力回折光学素子側に垂直基準５゜傾斜して光が入射する時、出力回折光学素子を介して出力される光経路をシミュレーションしたものである。シミュレーションはＶｉｒｔｕａｌ Ｌａｂソフトウェア（Ｌｉｇｈｔｔｒａｎｓ社）により実施した。

入力回折光学素子側に垂直に光が入射する時は、２つの出力回折光学素子が配置される大部分の領域から光が出力されるが、入力回折光学素子側に垂直基準５゜傾斜して光が入射する時は、２つの出力回折光学素子のうち上側領域の相当部分から光が出力されないことを確認することができる。

図１１を参照すれば、比較例による回折光学素子を介して出力されるイメージを実際に撮影した結果、２つの出力回折光学素子のうち上側領域の相当部分で暗く見えることを確認することができる。

図１２は、本発明の一実施例による回折導光板から出力される光のシミュレーション結果を示す図である。

一実施例は、予め定めた領域内に２つの出力回折光学素子が二次元的に交差配列される回折導光板に関する。

図１２（ａ）は、入力回折光学素子側に垂直に光が入射する時、出力回折光学素子を介して出力される光経路をシミュレーションしたものであり、図１２（ｂ）は、入力回折光学素子側に垂直基準５゜傾斜して光が入射する時、出力回折光学素子を介して出力される光経路をシミュレーションしたものである。

入力回折光学素子側に垂直に光が入射する時および垂直基準５゜傾斜して光が入射する時いずれも、２つの出力回折光学素子が配置される大部分の領域から光が出力されることを確認することができる。

本発明について上述した好ましい実施例が説明されたが、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、添付の特許請求の範囲は、本発明の要旨に属する限り、このような修正や変形を含むであろう。

１０ 回折導光板
１１ 光ガイド部
１２ 入力回折光学素子
１３ 中間回折光学素子
１４ 出力回折光学素子
２０ 回折導光板
２１ 光ガイド部
２２ 入力回折光学素子
２３、２４ 回折光学素子
１００ 回折導光板
１１０ 光ガイド部
１１０ａ 光ガイド部の一面
１１０ｂ 光ガイド部の他面
１２０ 入力回折光学素子
１３０、１３０’、１４０、１４０’ 出力回折光学素子

Claims (10)

1. 光を案内するための光ガイド部と、
   光源から出力された光が入力され、前記光ガイド部上で案内できるように前記入力された光を回折させる入力回折光学素子と、
   前記光ガイド部の予め定めた領域内に配置されている互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子とを含み、
   前記２つの出力回折光学素子それぞれは、前記入力回折光学素子から光を受光し、受光された光が回折により他方の出力回折光学素子に向けられるように構成され、
   前記２つの出力回折光学素子それぞれは、他方の出力回折光学素子から光を受光し、受光された光が回折により前記光ガイド部から出力されるように構成され、
   前記予め定めた領域内で少なくとも所定の幅をもって前記入力回折光学素子と隣接した側から反対側に長く区画された中央領域では、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子が少なくとも一次元的に交差配列され、
   前記予め定めた領域内で、互いに異なる線状格子パターンの２つの出力回折光学素子は、前記中央領域においてのみ交差配列されている、回折導光板。
2. 前記２つの出力回折光学素子は、前記光ガイド部上で互いに重なっている領域を形成せずに当接している、請求項１に記載の回折導光板。
3. 前記２つの出力回折光学素子は、前記中央領域で二次元的に交差配列される、請求項１または２に記載の回折導光板。
4. 前記２つの出力回折光学素子が交差配列される領域における２つの出力回折光学素子のそれぞれの幅は、４ｍｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の回折導光板。
5. 前記２つの出力回折光学素子が交差配列される領域における２つの出力回折光学素子のそれぞれの長さは、４ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載の回折導光板。
6. 前記入力回折光学素子と前記２つの出力回折光学素子それぞれは、予め定められたピッチで繰り返し形成された線状格子を含み、前記線状格子のピッチに反比例する大きさおよび前記線状格子が延びる方向と垂直な方向で定義される格子ベクトルを有し、
   前記入力回折光学素子と前記２つの出力回折光学素子それぞれの格子ベクトルの和は、０の大きさを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の回折導光板。
7. 前記入力回折光学素子と前記２つの出力回折光学素子それぞれの格子ベクトルは、互いに同一の大きさを有する、請求項６に記載の回折導光板。
8. 前記入力回折光学素子と前記２つの出力回折光学素子それぞれの格子ベクトルは、互いに６０゜の角度を形成する、請求項６または７に記載の回折導光板。
9. 前記２つの出力回折光学素子は、前記光ガイド部上の同一平面上に提供される、請求項１から８のいずれか一項に記載の回折導光板。
10. 映像を形成する映像光を出力する光源と、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の回折導光板とを含むディスプレイ装置。

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