JP7275296B2 - 回折導光板およびこれを含むディスプレイ装置 - Google Patents
回折導光板およびこれを含むディスプレイ装置 Download PDFInfo
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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に行われる傾向にある。拡張現実、複合現実、または仮想現実を実現するディスプレイユニットは、光の波動的性質に基づく回折現象を利用する回折導光板を含んでいる。
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１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から受光された光が回折により第２方向（図１中のｙ軸方向）に１次元的な拡張が行われながら光ガイド部１１から出力されて使用者の瞳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ほかなく、より大きな光イメージを出力するには限界が伴った。
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１次元的に拡張できるように構成される。入力回折光学素子２２から受光された回折光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、他の回折光学素子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が、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に分割できるため、結局、１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それぞれも、他の回折光学素子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１次元的に拡張することができる。この時、２つの回折光学素子２３、２４それぞれの受光側Ｃを基準として、他の回折光学素子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、結局、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２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に示されるような、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、使用者の瞳の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たり、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前述した課題に制限されず、述べ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備えて、前記入力された光を回折させる第１回折光学素子と、前記光ガイド部の一面上に前記第１回折光学素子が配置される領域と区別される領域に配置されかつ、第１方向に沿って予め定められたピッチで繰り返し並ぶ仮想の第１線状パターンと、前記第１方向とは異なる第２方向に沿って予め定められたピッチで繰り返し並ぶ仮想の第２線状パターンとが相互交差する領域内に提供される２次元パターンを備える第２回折光学素子とを含み、前記２次元パターンの水平断面は楕円形状であり、前記楕円形状の長軸が、前記第１回折光学素子が備える線状格子の延長方向に垂直な方向と形成する角度は２０゜未満である、回折導光板を提供する。
本実施例において、前記２次元パターンは、前記光ガイド部の一面から突出形成される。
本実施例において、前記２次元パターンの突出高さは、前記光源から出力された光の波長対比０．０８４～０．１１３倍であってもよい。
本実施例において、前記楕円形状の短軸は、前記線状格子および前記線状パターンのピッチ対比０．５０～０．９２１倍であってもよい。
本実施例において、前記楕円形状の長軸は、前記線状格子および前記線状パターンのピッチ対比０．１５０～１．３２４倍であってもよい。
本実施例において、前記線状格子および前記線状パターンは、それぞれのピッチに反比例する大きさおよび前記線状格子および線状パターンが延びた方向に垂直な方向で定義される格子ベクトルを有し、前記第１回折光学素子の線状格子、前記第２回折光学素子の前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターン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、前記第１回折光学素子の線状格子、前記第２回折光学素子の前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターン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、前記第１回折光学素子の線状格子、前記第２回折光学素子の前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターン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、第２回折光学素子の全領域にわたって配置された２次元パターンによって構成された第１格子および第２格子それぞれによって第１回折光学素子から受光された光を拡張し、また、拡張された映像光を出力するため、視野角を大きく形成することができ、さらに、アイモーションボックスも広く形成して、多様な身体条件を有する使用者の瞳に幅広く対応可能であるという利点がある。
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であろう。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、文言で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素、段階、動作および／または素子が、１つ以上の他の構成要素、段階、動作および／または素子の存在または追加を排除しない。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てもよいし、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の間に所定の厚さを有する３次元構造体を意味し、その一面および他面は、実質的に平坦な平面であってもよいが、その一面および他面の少なくとも１つの面は、１次元的または２次元的に湾曲して形成されてもよい。例えば、プレートタイプの光ガイド部は１次元的に湾曲して、その一面および／または他面が円柱の側面の一部に対応する形状を有することができる。ただし、その湾曲によ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。他の例として、「回折光学素子」は、光ガイド部の一面上に突出形成された突出パターンまたはその一面上に凹形成された凹パターンが所定の規則をもって配列されて所定の面積を形成する部分を意味することもできる。
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～図８を参照すれば、回折導光板１００は、光ガイド部１１０と、第１回折光学素子１２０と、第２回折光学素子１３０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。
第１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。このような第１回折光学素子１２０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１２１を備えることができる。
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または他面１１０ｂ上に配置される。
第２回折光学素子１３０は、光ガイド部１１０の一面１１０ａまたは他面１１０ｂ上に第１回折光学素子１２０が配置される領域と区別される領域に配置される。
第２回折光学素子１３０が配置される領域内には、第１方向に沿って予め定められたピッチで繰り返し並ぶ仮想の第１線状パターンＬ１と、第１方向とは異なる第２方向に沿って予め定められたピッチで繰り返し並ぶ仮想の第２線状パターンＬ２とが相互交差する領域が定義される。第１方向は、第１線状パターンＬ１が延びた方向に垂直な方向と定義され、第２方向は、第２線状パターンＬ２が延びた方向に垂直な方向と定義される。
第１回折光学素子１２０は、線状格子１２１として１次元パターンを備えるのに対し、第２回折光学素子１３０は、前記交差領域内に提供される２次元パターン１３１を備えることができる。ここで、２次元パターンは、光ガイド部の一面１１０ａまたは他面１１０ｂ上に突出形成された突出パターンまたは凹形成された凹パターンであってもよい。本実施例において、２次元パターンは突出パターンであることを中心に説明する。
２次元パターン１３１は、第１線状パターンＬ１および２線状パターンＬ２が交差する交差領域内に提供されるため、２次元パターン１３１は、第１線状パターンＬ１に平行な第１格子Ｌ１’を構成すると同時に、第２線状パターンＬ２に平行な第２格子Ｌ２’を構成することができる。
第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’それぞれは、第１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の種類の格子Ｌ２’、Ｌ１’に向けられるように構成される。また、第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’それぞれは、第１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１次元的に拡張できるように構成される。第１回折光学素子１２０から受光された回折光は、第１格子Ｌ１’および／または第２格子Ｌ２’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が、入力回折光学素子１２０から最初に受光された光は、このような回折が特定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できるため、結局、１次元的な拡張が行われる。
第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’それぞれは、他の種類の格子Ｌ２’、Ｌ１’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、第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’それぞれも、他の種類の格子Ｌ２’、Ｌ１’から拡張された光を受光し、受光した光を回折により１次元的に拡張することができる。この時、第１回折光学素子１２０から受光され、第１格子Ｌ１’および／または第２格子Ｌ２’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、他の種類の格子Ｌ２’、Ｌ１’から受光されて第１格子Ｌ１’および／または第２格子Ｌ２’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ので、結局、第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’によって拡張された複数のビームによって出力された光は、光源から第１回折光学素子１２０が受光する光を基準として２次元的な拡張が行われたものと取り扱うことができる。
前記線状格子１２１および線状パターンＬ１、Ｌ２それぞれは、それぞれのピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３に反比例する「大きさ」および線状格子が延びた方向に垂直な「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。ここで、線状パターンＬ１、Ｌ２は、格子Ｌ１’、Ｌ２’に代替されてもよい。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｜は格子ベクトルの大きさを意味し、Ｐは線状格子、線状パターンおよび／または格子のピッチを意味する。
第１回折光学素子１２０の線状格子１２１、第２回折光学素子１３０の第１線状パターンＬ１および第２線状パターンＬ２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。同じく、第１回折光学素子１２０の線状格子１２１、第２回折光学素子１３０の第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’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、第１回折光学素子１２０の線状格子１２１、第２回折光学素子１３０の第１線状パターンＬ１および第２線状パターンＬ２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、第１回折光学素子１２０の線状格子１２１、第２回折光学素子１３０の第１線状パターンＬ１および第２線状パターンＬ２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をすべて成形できるからである。
一実施例として、第１回折光学素子１２０は、図７Ａ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１２１を有し、第２回折光学素子１３０は、図７Ｂに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと－３０゜の角度をなす第１線状パターンＬ１および／または第１格子Ｌ１’と、図７Ｃに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと＋３０゜の角度をなす第２線状パターンＬ２および／または第２格子Ｌ２’とを有することができる。それぞれのピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３はすべて同一で、これによるそれぞれの格子ベクトル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、線状パターン、格子が延びた方向に垂直であるため、第１回折光学素子１２０の線状格子１２１の格子ベクトルＶ１の方向は、ｘ軸方向に平行であり、第２回折光学素子１３０の第１線状パターンＬ１および／または第１格子Ｌ１’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、第２回折光学素子１３０の第２線状パターンＬ２および／または第２格子Ｌ２’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。これにより、第１回折光学素子１２０の線状格子１２１、第２回折光学素子１３０の第１線状パターンＬ１および第２線状パターンＬ２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。同時に、第１回折光学素子１２０の線状格子１２１、第２回折光学素子１３０の第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’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。
一方、第２回折光学素子１２０が配置される領域では、回折による光が光ガイド部１１０を介して出力されるため、出力される光の光量が第２回折光学素子１２０の配置される領域にわたって均一に誘導できる２次元パターンの形状を決定する必要がある。
図９Ａ～９Ｋは、第２回折光学素子の所定領域において、２次元パターンの横および縦長さと突出高さに応じて出力される光のシミュレーション結果に基づいて光量分布の均一度を示す図である。
光量分布の均一度は、下記の数式２で定義される。
［数式２］
Ｕ＝１－（（Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ））
［数式２］
Ｕ＝１－（（Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ））
ここで、Ｕは所定領域における光量分布の均一度、Ｉｍａｘは所定領域において単位面積あたり光量が最も高い数値、Ｉｍｉｎは所定領域において単位面積あたり光量が最も低い数値を示す。Ｉの単位は（Ｖ／ｍ）２である。
２次元パターン１３１の横長さＬｘは、第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向と垂直に近い方向の長さであり、２次元パターン１３１の縦長さＬｙは、第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向と平行に近い方向の長さを意味する。ここで、所定の方向と垂直または平行に近いとの意味は、実質的に所定の方向と垂直または平行であるとの意味であり、好ましくは、所定の方向と２０゜以下の角度をなし、さらに好ましくは、所定の方向と５゜以下の角度をなすことを意味する。
図９Ａは、２次元パターン１３１の突出高さが４０ｎｍの場合の、光量分布の均一度を示す図であり、図９Ｂから２次元パターン１３１の突出高さを５ｎｍずつ増加させて、図９Ｋは、２次元パターン１３１の突出高さが９０ｎｍの場合の、光量分布の均一度を示す図である。
本シミュレーションで用いられた光の波長は５３２ｎｍであり、線状格子、線状パターンおよび／または格子のピッチは３６５ｎｍである。
２次元パターン１３１の縦長さＬｙが横長さＬｘよりも長い場合、および縦長さＬｙと横長さＬｘが同一の場合には、光量分布の均一度が大体０に近い結果を示した。
２次元パターン１３１の横長さＬｘが縦長さＬｙより長い場合には、光量分布の均一度が他の形状よりも高く形成され、横長さＬｘおよび縦長さＬｙの程度に応じて光量分布の均一度は偏差を示すが、横長さＬｘが４２０ｎｍの場合、光量分布の均一度は大体他の場合に比べて高い均一度を示した。
２次元パターン１３１の突出高さが４０ｎｍの場合には、横長さＬｘおよび縦長さＬｙの程度にかかわらず光量分布の均一度は０に収束して、２次元パターン１３１の突出高さは所定以上の高さを確保しなければならないことを導出することができた。
図９Ａ～図９Ｋに示された結果をみると、２次元パターン１３１の突出高さが４５～６０ｎｍの場合、光量分布の均一度が０．４以上のレベルを示す２次元パターン１３１の縦長さＬｙおよび横長さＬｘの組み合わせが多数導出されることが確認される。光量分布の均一度が同一の場合、２次元パターンの突出高さは、用いられる光の波長に比例することが一般的である。
本シミュレーションに用いられる光の波長は５３２ｎｍであるので、光量分布の均一度が０．４以上のレベルを示すには、２次元パターンの突出高さは、用いられる光の波長の０．０８４～０．１１３倍であることが好ましい。
そして、図９Ａ～図９Ｋに示された結果をみると、２次元パターン１３１の縦長さＬｙが１８９ｎｍ～３３６ｎｍの場合、光量分布の均一度が０．４以上のレベルを示す２次元パターン１３１の縦長さＬｙおよび横長さＬｘの組み合わせが多数導出されることが確認される。
本シミュレーションに用いられる線状格子、線状パターンおよび／または格子のピッチは３６５ｎｍであるので、光量分布の均一度が０．４以上のレベルを示すには、２次元パターンの縦長さＬｙは、線状格子、線状パターンおよび／または格子のピッチ対比０．５０～０．９２１倍であることが好ましい。
そして、図９Ａ～図９Ｋに示された結果をみると、２次元パターン１３１の横長さＬｘが４２０ｎｍ～４８３ｎｍの場合、光量分布の均一度が０．４以上のレベルを示す２次元パターン１３１の縦長さＬｙおよび横長さＬｘの組み合わせが多数導出されることが確認される。
本シミュレーションに用いられる線状格子、線状パターンおよび／または格子のピッチは３６５ｎｍであるので、光量分布の均一度が０．４以上のレベルを示すには、２次元パターンの横長さＬｘは、線状格子、線状パターンおよび／または格子のピッチ対比１．１５０～１．３２４倍であることが好ましい。
一方、図９Ｃは、２次元パターン１３１の突出高さが５０ｎｍの場合であり、２次元パターンの横長さＬｘ部分が第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向と９０゜をなしている時の、光量分布の均一度を示す図であり、図９Ｌは、図９Ｃに比べて、２次元パターンの横長さＬｘ部分が第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向に垂直な方向を基準として反時計方向に１０゜だけ回転した状態の時の、光量分布の均一度を示す図であり、図９Ｍは、図９Ｃに比べて、２次元パターンの横長さＬｘ部分が第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向に垂直な方向を基準として反時計方向に１８゜だけ回転した状態の時の、光量分布の均一度を示す図であり、図９Ｎは、図９Ｃに比べて、２次元パターンの横長さＬｘ部分が第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向に垂直な方向を基準として反時計方向に２０゜だけ回転した状態の時の、光量分布の均一度を示す図である。
図９Ｃおよび図９Ｌ～図９Ｍをみると、２次元パターンの横長さＬｘ部分が第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向に垂直であったり、２次元パターンの横長さＬｘ部分が第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向に垂直な方向を基準として２０゜未満だけ回転した状態の時には、光量分布の均一度が０を超えて達成できる。
まとめると、第２回折光学素子１３０が配置された領域全体として光が均一に出力されるためには、２次元パターン１３１の水平断面は楕円形状であり、楕円形状の長軸は、第１回折光学素子１２０が備える線状格子１２１の延長方向に垂直な方向と２０゜未満の角度を形成することが好ましい。
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、第１回折光学素子１２０に入力および回折されて、第２回折光学素子１３０の第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’にカップリングされ、第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’は、カップリングされて受光された光を回折させて１次元的に拡張し、１次元的に拡張された光は、他の種類の格子Ｌ２’、Ｌ１’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。第２回折光学素子１２０の全領域にわたって配置された２次元パターンによって構成された第１格子Ｌ１’および第２格子Ｌ２’それぞれによって第１回折光学素子１２０から受光された光を拡張し、また、拡張された映像光を出力するため、視野角を大きく形成することができ、さらに、アイモーションボックスも広く形成して、多様な身体条件を有する使用者の瞳に幅広く対応可能であるという利点がある。
図１０Ａは、本発明の一側面による回折導光板の一実施例の第２回折光学素子から出力される光を撮像したイメージであり、図１０Ｂは、２次元パターンの水平断面が円形である回折導光板の比較例の第２回折光学素子から出力される光を撮像したイメージである。
比較例の第２回折光学素子から出力される光は、上下方向よりは左右方向に偏って光が出力されるのに対し、本発明の実施例の第２回折光学素子から出力される光は、左右方向を含めて上下方向にも光が分布して均一に出力されることを確認することができる。
比較例の第２回折光学素子から出力される光は、上下方向よりは左右方向に偏って光が出力されるのに対し、本発明の実施例の第２回折光学素子から出力される光は、左右方向を含めて上下方向にも光が分布して均一に出力されることを確認することができる。
本発明が上述した好ましい実施例に関して説明されたが、発明の要旨と範囲を逸脱することなく多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、添付した特許請求の範囲には、本発明の要旨に属する限り、このような修正や変形を含む。
１０ 回折導光板
１１ 光ガイド部
１２ 入力回折光学素子
１３ 中間回折光学素子
１４ 出力回折光学素子
２１ 光ガイド部
２２ 入力回折光学素子
２３ 回折光学素子
２４ 回折光学素子
１００ 回折導光板
１１０ 光ガイド部
１１０ａ 一面
１１０ｂ 他面
１２０ 第１回折光学素子
１２０ 入力回折光学素子
１２１ 線状格子
１３０ 第２回折光学素子
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
２１ 光ガイド部
２２ 入力回折光学素子
２３ 回折光学素子
２４ 回折光学素子
１００ 回折導光板
１１０ 光ガイド部
１１０ａ 一面
１１０ｂ 他面
１２０ 第１回折光学素子
１２０ 入力回折光学素子
１２１ 線状格子
１３０ 第２回折光学素子
Claims (7)
- 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備えて、前記入力された光を回折させる第１回折光学素子と、
前記光ガイド部の一面上に前記第１回折光学素子が配置される領域と区別される領域に配置されかつ、第１方向に沿って予め定められたピッチで繰り返し並ぶ仮想の第１線状パターンと、前記第１方向とは異なる第２方向に沿って予め定められたピッチで繰り返し並ぶ仮想の第２線状パターンとが相互交差する領域内に提供される２次元パターンを備える第２回折光学素子とを含み、
前記２次元パターンの水平断面は楕円形状であり、前記楕円形状の長軸が、前記第１回折光学素子が備える線状格子の延長方向に垂直な方向と形成する角度は２０゜未満であり、
前記２次元パターンは、前記光ガイド部の一面から突出形成され、
前記２次元パターンの突出高さは、前記光源から出力された光の波長対比０．０８４～０．１１３倍である、回折導光板。 - 前記楕円形状の短軸は、前記線状格子、前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターンのピッチ対比０．５０～０．９２１倍である、請求項１に記載の回折導光板。
- 前記楕円形状の長軸は、前記線状格子、前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターンのピッチ対比１．１５０～１．３２４倍である、請求項１または２に記載の回折導光板。
- 前記線状格子、前記第１線状パターンおよび第２線状パターンは、それぞれのピッチに反比例する大きさ並びに前記線状格子、前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターンが延びた方向に垂直な方向で定義される格子ベクトルを有し、
前記第１回折光学素子の線状格子、前記第２回折光学素子の前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターン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３のいずれか一項に記載の回折導光板。 - 前記第１回折光学素子の線状格子、前記第２回折光学素子の前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターン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４に記載の回折導光板。
- 前記第１回折光学素子の線状格子、前記第２回折光学素子の前記第１線状パターンおよび前記第２線状パターン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４または５に記載の回折導光板。
- 映像を形成する映像光を出力する光源と、
請求項１～６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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