JP7363031B2 - Exit pupil expansion element, waveguide member - Google Patents
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本発明は、射出瞳拡張素子、導波部材に関するものである。 The present invention relates to an exit pupil expansion element and a waveguide member.
ヘッドマウントディスプレイのような近接ディスプレイでは、映像を表示する仕組みの一つとして射出瞳(出射瞳)の拡張が行われる。この射出瞳の拡張に用いられる射出瞳拡張素子では、導波部と2種又は3種の回折格子とを備えて構成され、入射部の回折格子により映像等の光を回折させて一次回折光を導波部に入射させる。導波部内では、光が全反射により伝播し、出射部の回折格子では、光が一次回折して出射するとともに、ゼロ次回折反射伝播して、出射部の回折格子で一次回折出射とゼロ次回折反射伝播を繰り返すことで射出瞳を拡張する。 In a proximity display such as a head-mounted display, one of the mechanisms for displaying images is to expand the exit pupil. The exit pupil expansion element used to expand the exit pupil is configured with a waveguide section and two or three types of diffraction gratings, and the diffraction grating in the entrance section diffracts light such as an image to produce a first-order diffracted light. is incident on the waveguide. In the waveguide, the light propagates by total reflection, and at the diffraction grating in the output part, the light undergoes first-order diffraction and exits, and also undergoes zero-order diffraction and reflection propagation. The exit pupil is expanded by repeating folding and reflecting propagation.
また、射出瞳を二次元的に拡張するために、入射部から伝播された光を特定の角度で一次回折反射するとともにゼロ次回折反射伝播で伝播する機能を備える回折格子(以下、第2拡張部とも呼ぶ)を入射部の回折格子と出射部の回折格子との間に設ける場合もある。
この場合、上記第2拡張部の回折格子では、伝播光は一次回折反射光とゼロ次回折反射伝播光に別れ、一次回折反射光は出射部の回折格子へ向かい、ゼロ次回折反射伝播光は、裏面で全反射して、再び第2拡張部の回折格子にて一次回折反射光とゼロ次回折反射伝播光に別れることを第2拡張部の回折格子で繰り返す(例えば、特許文献1参照)。
In addition, in order to expand the exit pupil two-dimensionally, a diffraction grating (hereinafter referred to as a second expansion grating) has the function of first-order diffraction and reflection of the light propagated from the entrance part at a specific angle and propagation through zero-order diffraction and reflection propagation. In some cases, a diffraction grating (also referred to as a part) is provided between the diffraction grating of the input part and the diffraction grating of the output part.
In this case, in the diffraction grating of the second extension part, the propagating light is separated into the first-order diffraction reflected light and the zero-order diffraction reflection propagation light, the first-order diffraction reflection light goes to the diffraction grating of the output part, and the zero-order diffraction reflection propagation light , is totally reflected on the back surface, and is separated into a first-order diffracted reflected light and a zero-order diffracted reflected propagated light again at the second extended portion diffraction grating, which is repeated in the second extended portion diffraction grating (for example, see Patent Document 1) .
このような射出瞳拡張素子では、導波部内を光が全反射を繰り返して進み出射部(拡張部)から出射するが、出射部から出射することなく導波部の端部にまで到達してしまう光(迷光)も存在する。そのような光が端部において反射する等して出射部に到達して出射してしまうと、本来の映像光とは異なる光路を進んだ光が本来の映像光とともに観察されてしまうこととなり、観察される映像の劣化が生じてしまうおそれがあった。
また、射出瞳拡張素子に限らず、導波部を備えて光を導波する導波部材において、端部に到達する不要な迷光を低減したい場合があった。
In such an exit pupil expansion element, light travels through the waveguide through repeated total reflection and exits from the output section (extension section), but the light reaches the end of the waveguide without exiting from the output section. There is also stray light. If such light is reflected at the end and reaches the output section and is emitted, light that has traveled an optical path different from the original image light will be observed along with the original image light. There was a risk that the observed image would deteriorate.
Moreover, there are cases where it is desired to reduce unnecessary stray light that reaches the end of a waveguide member that is equipped with a waveguide section and guides light, not only the exit pupil expansion element.
本発明の課題は、導波部の端部に到達する迷光を低減することができる射出瞳拡張素子、導波部材を提供することである。 An object of the present invention is to provide an exit pupil expansion element and a waveguide member that can reduce stray light reaching the end of a waveguide.
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following solving means. Note that, in order to facilitate understanding, the description will be given with reference numerals corresponding to the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
第1の発明は、互いに平行な第1平面(10b)及び第2平面(10c)を有する平板状に構成され光を導波する導波部(10a)と、前記導波部(10a)上に配置、又は、前記導波部(10a)と一体に構成され、射出瞳を複数に分けて拡張して出射する拡張部(22、22B、23)と、を備え、前記導波部(10a)の端部の少なくとも一部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部(10a)の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部(25、225)と、を備える射出瞳拡張素子(1、1B)である。 A first invention provides a waveguide section (10a) configured in a planar shape having a first plane (10b) and a second plane (10c) parallel to each other and guides light; an extension part (22, 22B, 23) disposed in the waveguide part (10a) or configured integrally with the waveguide part (10a), which divides the exit pupil into a plurality of parts, expands it, and emits the light; A stray light reducing section () that is provided at at least a part of the end of the waveguide ( 25, 225), and an exit pupil expansion element (1, 1B).
第2の発明は、第1の発明に記載の射出瞳拡張素子(1、1B)において、前記迷光低減部(25、225)は、前記導波部(10a)の前記第1平面(10b)及び前記第2平面(10c)の少なくとも一方に対して傾斜した斜面部(25a、25b)を有すること、を特徴とする射出瞳拡張素子(1、1B)である。 A second invention is the exit pupil expansion element (1, 1B) according to the first invention, in which the stray light reducing section (25, 225) is arranged on the first plane (10b) of the waveguide section (10a). and an exit pupil expansion element (1, 1B) characterized in that it has a slope portion (25a, 25b) that is inclined with respect to at least one of the second plane (10c).
第3の発明は、第2の発明に記載の射出瞳拡張素子(1、1B)において、前記第1平面(10b)と同じ側に設けられた前記斜面部を第1斜面部(25a)とし、前記第2平面(10c)と同じ側に設けられ、前記第1斜面部(25a)と対向して設けられた前記斜面部を第2斜面部(25b)とし、前記第1平面(10b)と前記第1斜面部(25a)とがなす角をδ1とし、前記第2平面(10c)と前記第2斜面部(25b)とがなす角をδ2とし、前記導波部(10a)を導波する光が前記第1平面(10b)の法線となす角をθとし、前記導波部(10a)の屈折率をn1としたときに、0°≦δ1<90°であり、0°≦δ2<90°であるものとし、δ1=0°の場合には、前記第1斜面部(25a)は、前記第1平面(10b)と同一平面であり、δ2=0°の場合には、前記第2斜面部(25b)は、前記第2平面(10c)と同一平面であり、前記第1斜面部(25a)と前記第2斜面部(25b)との少なくとも一方を備えており、δ1<θ-asin(1/n1)及びδ2<θ-asin(1/n1)の双方を満たすこと、を特徴とする射出瞳拡張素子(1、1B)である。 In a third invention, in the exit pupil expansion element (1, 1B) according to the second invention, the slope portion provided on the same side as the first plane (10b) is a first slope portion (25a). , the slope part provided on the same side as the second plane (10c) and facing the first slope part (25a) is a second slope part (25b), and the first plane (10b) The angle formed by the second plane (10c) and the second slope part (25b) is δ1, and the angle formed by the second plane (10c) and the second slope part (25b) is δ2. When the angle that the waving light makes with the normal to the first plane (10b) is θ, and the refractive index of the waveguide (10a) is n1, 0°≦δ1<90°, and 0° ≦δ2<90°, and when δ1=0°, the first slope portion (25a) is on the same plane as the first plane (10b), and when δ2=0°, , the second slope part (25b) is on the same plane as the second plane (10c), and includes at least one of the first slope part (25a) and the second slope part (25b), This is an exit pupil expansion element (1, 1B) characterized by satisfying both δ1<θ-asin(1/n1) and δ2<θ-asin(1/n1).
第4の発明は、第2の発明から第3の発明までのいずれかに記載の射出瞳拡張素子(1、1B)において、前記斜面部(25a、25b)には、光吸収作用を有する光吸収層が設けられていること、を特徴とする射出瞳拡張素子(1、1B)である。 A fourth invention is the exit pupil expanding element (1, 1B) according to any one of the second invention to the third invention, wherein the sloped portion (25a, 25b) has a light absorption function. This is an exit pupil expansion element (1, 1B) characterized by being provided with an absorption layer.
第5の発明は、第1の発明から第4の発明までのいずれかに記載の射出瞳拡張素子(1、1B)において、入射した光が進む向きを偏向させて前記拡張部(22B)へ進め、前記拡張部(22B)が光を拡張する向きと交差する向きに射出瞳を拡張する第2拡張部(23)をさらに備えること、を特徴とする射出瞳拡張素子(1、1B)である。 A fifth invention is the exit pupil expansion element (1, 1B) according to any one of the first invention to the fourth invention, in which the direction in which incident light travels is deflected to the expansion part (22B). The exit pupil expansion element (1, 1B) further comprises a second expansion part (23) that expands the exit pupil in a direction that intersects the direction in which the expansion part (22B) extends light. be.
第6の発明は、互いに平行な第1平面(10b)及び第2平面(10c)を有する平板状に構成され光を導波する導波部(10a)と、前記導波部(10a)の端部の少なくとも一部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部(10a)の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部(25、225)と、を備える導波部材である。 A sixth invention provides a waveguide section (10a) configured in a planar shape having a first plane (10b) and a second plane (10c) parallel to each other and guides light; a stray light reduction section (25, 225).
本発明によれば、導波部の端部に到達する迷光を低減することができる射出瞳拡張素子、導波部材を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an exit pupil expansion element and a waveguide member that can reduce stray light that reaches the end of the waveguide.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings and the like.
(第1実施形態)
図1は、本発明による射出瞳拡張素子1の第1実施形態を示す図である。
図2は、射出瞳拡張素子1を図1中の矢印A-Aの位置で切断した断面図である。
なお、図1を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
本明細書において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。
本明細書において、板、シート、フィルム等の言葉を使用しているが、これらは、一般的な使い方として、厚さの厚い順に、板、シート、フィルムの順で使用されており、本明細書中でもそれに倣って使用している。しかし、このような使い分けには、技術的な意味は無いので、これらの文言は、適宜置き換えることができるものとする。
本明細書中において、シート面とは、各シートにおいて、そのシート全体として見たときにおける、シートの平面方向となる面を示すものであるとする。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において規定する具体的な数値には、一般的な誤差範囲は含むものとして扱うべきものである。すなわち、±10%程度の差異は、実質的には違いがないものであって、本件の数値範囲をわずかに超えた範囲に数値が設定されているものは、実質的には、本件発明の範囲内のものと解釈すべきである。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of an exit
FIG. 2 is a cross-sectional view of the exit
Note that each figure shown below, including FIG. 1, is a schematic diagram, and the size and shape of each part are appropriately exaggerated for easy understanding.
Further, in the following description, specific numerical values, shapes, materials, etc. are shown, but these can be changed as appropriate.
In this specification, terms that specify shapes or geometrical conditions, such as terms such as parallel and orthogonal, do not have strict meanings, but also mean that they have similar optical functions and can be considered parallel or orthogonal. This also includes states with errors.
In this specification, words such as plate, sheet, film, etc. are used, but these are generally used in the order of thickness, such as plate, sheet, film, etc. This is also used in the book. However, since there is no technical meaning in these different uses, these words can be replaced as appropriate.
In this specification, the sheet surface refers to the surface of each sheet that is in the planar direction of the sheet when the sheet is viewed as a whole.
Furthermore, in the present invention, transparent refers to something that transmits at least light of the wavelength to be used. For example, even if a material does not transmit visible light, if it transmits infrared rays, it will be treated as transparent when used for infrared purposes.
Note that the specific numerical values specified in this specification and claims should be treated as including general error ranges. In other words, a difference of approximately ±10% is essentially no difference, and a value set in a range slightly exceeding the numerical range of the present invention is, in fact, not a difference of the present invention. It should be interpreted as within the range.
本実施形態の射出瞳拡張素子1は、ヘッドマウントディスプレイに用いられて射出瞳を複数に分けて拡張する光学的機能を備えたシート状の素子であり、基材層10と、賦型層20とが層状に重ねられた構成となっている。なお、射出瞳拡張素子1は、フィルム状、又は、板状に構成されていてもよい。
基材層10は、射出瞳拡張素子1を製造するときにベースとして用いられ、また、光が導波する導波部の主要な部分を構成する層である。
賦型層20は、基材層10の表面側に積層されている。賦型層20は、その表面に入射部21及び出射部22を備えている。
The exit
The
The
基材層10及び賦型層20は、入射部21から入射された映像光等の光を出射部22側に向けて導波させるための導波部(コア)10aを構成する。したがって、基材層10及び賦型層20は、導波する光に対する屈折率が実質的に同一、又は、屈折率が非常に近い材料により構成される。また、入射部21と出射部22が構成されている部分も含めて、光を導波(伝播)する領域を導波部10aと呼ぶこととする。この導波部10aは、互いに平行な2つの平面(第1平面10b及び第2平面10c)を有し、平板状に構成されており、内部において反射を繰り返して光を導波する。
基材層10を構成する材料としては、例えば、光学ガラス、PET、ポリカーボネート、アクリル系樹脂等が挙げられる。また、賦型層20を構成する材料としては、例えば、アクリル系紫外線硬化樹脂等の紫外線硬化性樹脂材料等が挙げられる。基材層10を構成する材料及び賦型層20を構成する材料は、いずれも、導波する光に対して透明である。
The
Examples of the material constituting the
本実施形態において、基材層10及び賦型層20がコア(導波部10a)を構成し、その周囲に位置する空気(大気)がクラッドを構成することで、基材層10及び賦型層20を導波部10aとして光を導波することができる。したがって、基材層10及び賦型層20を構成する材料としては、クラッドを構成する空気(大気)よりも屈折率の大きい材料が用いられる。これにより、基材層10及び賦型層20により構成されるコアと空気(大気)により構成されるクラッドとの界面で反射しながら光を効率的に導波させることができる。
In this embodiment, the
本実施形態では、入射部21は、3レベルの回折格子により構成されている。入射部21の回折格子は、一定のピッチPで繰り返し配列され、かつ、その配列の方向(図1から図3中の左右方向)と直交する一方向(図1中の上下方向、図2及び図3中の紙面奥行き方向)に延在する高屈折率部211を備えている。
また、入射部21の回折格子は、高屈折率部211の間に形成され、高屈折率部211よりも屈折率が低い低屈折率部212を有する。本実施形態では、上述したように、低屈折率部212は、空気により構成されているが、屈折率が高屈折率部211よりも十分に低い材料でこの領域を埋める構成としてもよい。
In this embodiment, the
Furthermore, the diffraction grating of the
射出瞳拡張素子1のシート面に対して垂直に進み入射部21へ入射する光は、入射部21の回折格子によって回折した回折光が基材層10(導波部10a)内に進む。そして、この回折光の回折角θが導波部10aの全反射条件を満たすように回折格子のピッチPが設定されている。具体的には、入射部21の回折格子のピッチPは、導波する光の波長λよりも短く構成されている。
The light that travels perpendicularly to the sheet surface of the exit
導波部10aで光が伝播する条件は、全反射条件を満たす必要があるので、コア:導波部10a(基材層10及び賦型層20)の屈折率をn1、クラッド(空気部分)の屈折率をn2とし、全反射臨界角をθとすると、sin(θ)=n2/n1であり、全反射をする条件としては、以下の式を満たす必要がある。
θ>asin(n2/n1)
sin(θ)>n2/n1・・・式(1)
一方、入射部21に入射した光の回折角をθとすると、回折格子の公式から、波長λとピッチPと回折角θとの関係を以下の式により表すことができる。
n1×sin(θ)=λ/P
sin(θ)=λ/(P×n1)・・・式(2)
この式(2)を上記式(1)の全反射条件に代入すると、以下の関係式が得られる。
λ/(P×n1)>n2/n1
λ>P×n2
ここで、n2=1(空気の屈折率)であるので、P<λとなり、入射部21の回折格子のピッチPを、導波する光の波長λよりも短くすることにより、入射部21に垂直に入射する光は、導波部10a内を全反射しながら導波することが可能となる。
The conditions for light to propagate in the
θ>asin(n2/n1)
sin(θ)>n2/n1...Formula (1)
On the other hand, if the diffraction angle of the light incident on the
n1×sin(θ)=λ/P
sin(θ)=λ/(P×n1)...Formula (2)
By substituting this equation (2) into the total reflection condition of the above equation (1), the following relational expression is obtained.
λ/(P×n1)>n2/n1
λ>P×n2
Here, since n2=1 (the refractive index of air), P<λ, and by making the pitch P of the diffraction grating in the
導波部10a内を導波した光は、出射部22に到達する。ここで、図2に示すように、出射部22にも回折格子が構成されており、この出射部22の回折格子により、導波部10a内を導波してきた光は出射部22から出射する。
出射部22の回折格子は、入射部21の回折格子と同様な3レベルの回折格子により構成されている。また、出射部22の回折格子は、一定のピッチPで繰り返し配列され、かつ、その配列の方向と直交する一方向(入射部21の回折格子が延在する方向と同一方向)に延在する高屈折率部221を有している。さらに、出射部22の回折格子は、導波部10a内を導波してきた光を出射させるために、多段階の凹凸形状の向きが、入射部21の回折格子とは反対向きに配置されている。
The light guided within the
The diffraction grating of the
出射部22の回折格子は、回折効率が100%ではないので、出射部22の回折格子に最初に到達する光のうちの一部だけが出射し、残る光は、さらに反射を続けて導波方向の下流側(入射部21から遠ざかる方向であり、図2中の右側)へさらに進み、再び出射部22の回折格子に到達する。この再び出射部22の回折格子に到達する光も、一部だけが出射し、残る光は、さらに反射を続ける。これを繰り返すことにより、射出瞳が複数形成されて、射出瞳の拡張作用を得ることができる。このように、本実施形態では、出射部22は、射出瞳を拡張する拡張部としての機能も兼ねている。射出瞳が拡張(複数に分割)されることにより、観察位置(目の位置)が移動しても、いずれかの射出瞳が観察可能となり、目の位置が特定の位置に限定されずに使い勝手を向上できる。なお、図2では、3つの射出瞳に分けられるように簡素化して示しているが、実際にはより多くの射出瞳に拡張(分割)される。
Since the diffraction efficiency of the diffraction grating of the
ここで、出射部22の回折格子から出射する回折光の量は、光が到達した位置の回折格子の回折効率に応じた分量だけ出射し、出射できなかった光がさらに導波される。よって、光の導波方向の下流側になるほど回折格子に到達する光の光量は少なくなるが、出射部22から出射できずに、導波部10aの端部に到達する光(迷光)が存在する。この迷光が、端部で反射して出射部22へ向けて戻ると、本来の映像光とともに迷光が出射し、観察される映像のコントラストが低下する等、映像が劣化してしまうおそれがある。
Here, the amount of diffracted light emitted from the diffraction grating of the emitting
この迷光を低減するために、本実施形態の射出瞳拡張素子1は、迷光低減部25を備えている。
図3は、迷光低減部25の部分を拡大した断面図である。
本実施形態の迷光低減部25は、導波部10aの端部の全てに設けられている。迷光低減部25は、導波部10aの第1平面10b及び第2平面10cに対して傾斜した第1斜面部25aと第2斜面部25bとの2つの斜面部を有した断面形状が楔形状に構成されている。迷光低減部25では、迷光を図25に示すように、一回斜面部で全反射させたのち、対向する斜面部から外部へ迷光を出射することにより、迷光が出射部22へ戻ることを防止することにより、出射部22から出射する迷光を低減する。この効果を有効に発揮するためには、迷光低減部25は、以下の条件を満たすことが望ましい。
In order to reduce this stray light, the exit
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the stray
The stray
第1平面10bと同じ側に設けられた斜面部を第1斜面部25aとし、第2平面10cと同じ側に設けられ、第1斜面部25aと対向して設けられた斜面部を第2斜面部25bとする。また、第1平面10bと第1斜面部25aとがなす角をδ1とし、第2平面10cと第2斜面部25bとがなす角をδ2とし、導波部10aを導波する光が前記第1平面の法線となす角(すなわち、導波する光の反射角)をθとし、導波部10aの屈折率をn1とする。
ここで、0°≦δ1<90°であり、0°≦δ2<90°であるものとすると、δ1=0°の場合には、第1斜面部25aは、第1平面10bと同一平面であり、δ2=0°の場合には、第2斜面部25bは、第2平面10cと同一平面である。迷光低減部25は、第1斜面部25aと第2斜面部25bとの少なくとも一方を備えているものとする。この条件において、迷光低減部25は、
δ1<θ-asin(1/n1)・・・式(3)
及び
δ2<θ-asin(1/n1)・・・式(4)
の双方を満たせば、図3に例示するように迷光を適切に外部へ出射させることができる。
A slope portion provided on the same side as the
Here, assuming that 0°≦δ1<90° and 0°≦δ2<90°, when δ1=0°, the
δ1<θ-asin(1/n1)...Formula (3)
and δ2<θ-asin(1/n1)...Equation (4)
If both of these conditions are satisfied, stray light can be appropriately emitted to the outside as illustrated in FIG.
上記式(3)及び式(4)は、第1斜面部25a及び第2斜面部25bにおける全反射条件、
θ-δ1>asin(1/n1)
及び
θ-δ2>asin(1/n1)
から導かれるものである。
The above formulas (3) and (4) are based on the total reflection conditions at the
θ−δ1>asin(1/n1)
and θ−δ2>asin(1/n1)
It is derived from
なお、第1斜面部25a及び第2斜面部25bの表面に屈折率n2の膜(層)が設けられていても、上記式(3)及び式(4)を満たせば、同様な効果を得ることができる。
そこで、第1斜面部25a及び第2斜面部25bの表面に光吸収層を設けてもよい。この光吸収層を設けることにより、第1斜面部25a及び第2斜面部25bから出射する光を吸収でき、外部から観察したときに端部が光って見えることを抑えることが可能である。
Note that even if a film (layer) with a refractive index of n2 is provided on the surfaces of the
Therefore, a light absorption layer may be provided on the surfaces of the
ここで、迷光低減部25の効果を検証するシミュレーションを行った。このシミュレーションは、ビーム伝播法(「回折光学素子の数値解析とその応用」丸善出版、小舘香椎子監修)により行った。
図4は、シミュレーションを行った比較例と実施例との形状を示す図である。
図5は、シミュレーションを行った条件と結果を示す図である。
図5において、戻り率(%)は、導波部10aの端部へ向けて進んだ光が逆方向へ戻る割合を示している。
比較例1では、迷光低減部25を構成していないことから、戻り率は、3.79%と高い値を示していた。
比較例2では、迷光低減部25の形状を備えているが、迷光低減部25の寸法が、式(3)及び式(4)を満たしていないことから、戻り率は、1.32%であった。この結果は、比較例よりは良好な結果を示しているものの、映像光の劣化を防ぐためには、戻り率1.0%未満とすることが望ましい。
実施例1及び実施例2では、式(3)及び式(4)を満たしており、戻り率は、それぞれ、0.46%及び0.47%という、非常に良好な結果を得られている。また、実施例1及び実施例2の結果に実質的に差がないことからも、式(3)及び式(4)を満たしていれば、迷光が効果的に外部に出射されることが確認できる。よって、迷光低減部25の形状を必要以上に長くする必要がない。
Here, a simulation was performed to verify the effect of the stray
FIG. 4 is a diagram showing the shapes of a comparative example and an example in which simulation was performed.
FIG. 5 is a diagram showing the conditions and results of the simulation.
In FIG. 5, the return rate (%) indicates the rate at which light that has traveled toward the end of the
In Comparative Example 1, since the stray
Comparative Example 2 has the shape of the stray
In Example 1 and Example 2, formulas (3) and (4) are satisfied, and the return rates are 0.46% and 0.47%, respectively, which are very good results. . Furthermore, since there is virtually no difference between the results of Example 1 and Example 2, it is confirmed that stray light is effectively emitted to the outside as long as formulas (3) and (4) are satisfied. can. Therefore, there is no need to make the shape of the stray
以上説明したように、第1実施形態によれば、射出瞳拡張素子1は、迷光低減部25を備えることにより、出射部22へ戻る迷光を効果的に低減することができる。
As described above, according to the first embodiment, the exit
(第2実施形態)
図6は、本発明による射出瞳拡張素子1Bの第2実施形態を示す図である。
図7は、射出瞳拡張素子1Bを図16中の矢印B-Bの位置で切断した断面図である。
図8は、射出瞳拡張素子1Bを図16中の矢印C-Cの位置で切断した断面図である。
なお、前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
また、図6から図8中には、方向が明確になるように、X,Y,Zの直交座標軸を示した。
(Second embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the exit
FIG. 7 is a cross-sectional view of the exit
FIG. 8 is a cross-sectional view of the exit
Note that parts that perform the same functions as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted as appropriate.
Further, in FIGS. 6 to 8, orthogonal coordinate axes of X, Y, and Z are shown so that the directions are clear.
先に説明した第1実施形態の射出瞳拡張素子1では、一方向(1次元方向:図1中の左右方向)についてのみ射出瞳を拡張する形態の素子であった。これに対して、第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bは、直交する2方向(2次元方向)で射出瞳を拡張する構成となっている。
第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bは、基本的な構成が同様な3枚の射出瞳拡張素子1B-1、射出瞳拡張素子1B-2、射出瞳拡張素子1B-3を間に空気層を挟んで組み合わせた構成となっている。3枚の射出瞳拡張素子1B-1、射出瞳拡張素子1B-2、射出瞳拡張素子1B-3を保持する構成は、フレームで支えてもよいし、部分的に接着してもよいし、これらの他にさらに保護板等を積層してもよい。
The exit
The exit
射出瞳拡張素子1B-1と、射出瞳拡張素子1B-2と、射出瞳拡張素子1B-3とでは、回折して導波及び瞳拡張する対象の光の波長がそれぞれ異なっており、そのために、回折格子のピッチがそれぞれ異なっている。回折格子は、波長選択性が高く、対象とする波長以外の光には、回折作用を及ぼさない。よって、それぞれの射出瞳拡張素子1B-1、射出瞳拡張素子1B-2、射出瞳拡張素子1B-3が、赤、青、緑の3原色の波長の回折を行うように構成されることにより、カラー画像の射出瞳拡張を行うことが可能である。
なお、ピッチ以外の点については、射出瞳拡張素子1B-1、射出瞳拡張素子1B-2、射出瞳拡張素子1B-3は、いずれも同様な構成となっているので、以下の説明では、特にこれら3枚を区別することなく、射出瞳拡張素子1Bとして説明する。
The exit
In addition, regarding points other than the pitch, the exit
第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bは、第1実施形態の射出瞳拡張素子1と同様に、基材層10と、賦型層20とを備えている。
第2実施形態の賦型層20は、その表面に入射部21と、第2拡張部23と、出射部22Bを備えている。
The exit
The
入射部21は、第1実施形態の入射部21と同様である。
第2拡張部23は、2レベルの回折格子により構成されており、入射部21から導波された光が進む向きに対して、45°傾いた向きに高屈折率部231が延在して配置されている。第2拡張部23は、入射部21から入射した光が進む向きを90°偏向させて出射部22Bへ進め、出射部22(第1拡張部)が光を拡張する向きと90°交差する向き、すなわち図中のX軸方向に射出瞳を拡張する(図6参照)。なお、図6では、射出瞳が3本に拡張されるように描いているが、実際は、第2拡張部23において反射を繰り返す数に応じた本数に射出瞳が分割されて拡張される。また、図6では、入射部21から入射した光が、45傾いた第2拡張部23により90°偏向させて出射部22Bに光が進むとしているが、角度や配置は、これに限ったものではない。
The
The
出射部22Bは、配置位置が異なる点と、高屈折率部221Bの配列方向が異なる点とが、第1実施形態の出射部22と異なっている。出射部22Bには、第2拡張部23によって偏向及び拡張された光が到達し、第1実施形態の出射部22と同様に、光を順次出射しながら射出瞳を分割して拡張する(図8参照)。出射部22Bが射出瞳を拡張する方向は、第2拡張部23が射出瞳を拡張する方向と直交する方向、具体的には、図中のY軸方向に射出瞳を拡張する。
The
また、第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bは、第1実施形態と同様に導波部10aの端部に、迷光低減部225を備えている。迷光低減部225の構成は、第1実施形態の迷光低減部25と同様である。
Furthermore, the exit
第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bの構成について、画像の見え方をシミュレーションして、その効果を確認したので、以下に説明する。このシミュレーションは光線追跡法(「回折光学素子の数値解析とその応用」丸善出版、小舘香椎子監修)により行った。
図9は、シミュレーション条件を説明する図である。
シミュレーションは、射出瞳拡張素子1Bの他、光源LSと、パターンPTと、レンズL1と、レンズL2と、スクリーンSとを配置する構成について行った。
射出瞳拡張素子1Bは、入射部21が0.5mm×0.5mm、第2拡張部23が1mm×2mm、出射部22Bが2mm×2mmの大きさであり、入射部21と第2拡張部23との中心間距離が5mm、第2拡張部23と出射部22Bとの中心間距離が4mmである。また、射出瞳拡張素子1Bは、基材層10が厚さ0.3mmで、10mm×10mmの大きさとした。
射出瞳拡張素子1Bは、迷光低減部225を備える本実施形態と、迷光低減部225を備えず平坦な端面とした比較例とを用意した。迷光低減部225を備える形態では、その形状は、第1実施形態の図4(c)と同様な形状とした。
Regarding the configuration of the exit
FIG. 9 is a diagram illustrating simulation conditions.
The simulation was performed on a configuration in which a light source LS, a pattern PT, a lens L1, a lens L2, and a screen S are arranged in addition to the exit
The exit
The exit
入射光学系として、光源LSには、LED光源を想定し、波長530nmの単波長光を、透過性の白黒チェック柄のパターンPTを透過させる。光源LSとパターンPTとの距離は0.1mmである。この光路下流側に、レンズL1を配置した。レンズL1は、焦点距離が4mmとし、パターンPTとレンズL1との距離は、4mmである。また、レンズL1と入射部21との距離は、1mmである。
出射光学系として、レンズL2は、焦点距離が8mmであり、出射部22BとレンズL2との距離は、2mmである。レンズL2を透過した光は、スクリーンSに投影される。スクリーンSは、レンズL2から8mmの位置に配置した。
As the incident optical system, the light source LS is assumed to be an LED light source, and a single wavelength light having a wavelength of 530 nm is transmitted through a transparent black and white checkered pattern PT. The distance between the light source LS and the pattern PT is 0.1 mm. A lens L1 was placed on the downstream side of this optical path. The lens L1 has a focal length of 4 mm, and the distance between the pattern PT and the lens L1 is 4 mm. Further, the distance between the lens L1 and the
As the output optical system, the lens L2 has a focal length of 8 mm, and the distance between the
図10は、シミュレーションにより得られた映像を迷光低減部225の有無で並べて比較する図である。
迷光低減部225を備えた結果の図10(b)の画像の方が、迷光低減部225を備えない結果の図10(a)の画像よりも明らかにコントラストが向上して観察された。ただし、図10の印刷画像では、その違いがわかりにくいので、図10中に矢印で示した位置のデータを抽出して、より詳細に数値化して説明する。
FIG. 10 is a diagram comparing images obtained by simulation with and without the stray
The image shown in FIG. 10(b) with the stray
図11は、図10において矢印で示したライン上の輝度分布をグラフ化して示す図である。
図12は、輝度を数値化して示す図である。
図11中において矢印で示した範囲aの輝度の積算値をAとし、範囲bの輝度の積算値をBとし、範囲cの輝度の積算値をCとして図12に示した。また、図12には、((A+C)/2)/Bを演算した結果についても示した。
図10において白色の領域と黒色の領域との輝度差が大きい程、コントラストの高い画像であるといえる。((A+C)/2)/Bの演算値は、黒色範囲を基準とした場合の白色範囲の大きさを表すものであり、この値が大きい程、コントラストが高いと判断できる。図12の結果を見ると、迷光低減部を設けた方が迷光低減部を設けていないものと比べて、コントラストが高いことが明らかであり、迷光の低減効果を確認できた。
FIG. 11 is a graph showing the luminance distribution on the line indicated by the arrow in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing the brightness numerically.
In FIG. 12, the integrated value of brightness in range a indicated by an arrow in FIG. 11 is designated as A, the integrated value of brightness in range b is designated as B, and the integrated value of brightness in range c is designated as C. Further, FIG. 12 also shows the result of calculating ((A+C)/2)/B.
In FIG. 10, it can be said that the larger the luminance difference between the white area and the black area, the higher the contrast of the image. The calculated value of ((A+C)/2)/B represents the size of the white range with respect to the black range, and it can be determined that the larger this value is, the higher the contrast is. Looking at the results in FIG. 12, it is clear that the contrast is higher when the stray light reducing section is provided than when the stray light reducing section is not provided, confirming the effect of reducing stray light.
以上説明したように、第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bは、迷光低減部225を備えたことにより、第1実施形態と同様に、導波部の端部に到達する迷光を低減することができる。
また、第2実施形態の射出瞳拡張素子1Bは、出射部(第1拡張部)22と、第2拡張部23とを備えているので、直交する2方向に射出瞳を拡張することができ、映像等をより観やすい環境を提供可能である。
As explained above, the exit
Further, the exit
(変形形態)
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
(Deformed form)
Various modifications and changes are possible without being limited to the embodiments described above, and these are also within the scope of the present invention.
(1)各実施形態において、3レベルの回折格子、及び、2レベルの回折格子を例示して説明した。これに限らず、例えば、4レベル以上の多段階の凹凸形状を備えた回折格子に本発明を適用してもよい。 (1) In each embodiment, a three-level diffraction grating and a two-level diffraction grating are illustrated and explained. The present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to, for example, a diffraction grating having a multi-level uneven shape of four or more levels.
(2)各実施形態において、射出瞳拡張素子は、ヘッドマウントディスプレイに用いられる例を挙げて説明したが、射出瞳拡張素子の用途は、ヘッドマウントディスプレイに限らず、どのような用途であってもよい。 (2) In each of the embodiments, the exit pupil expansion element has been explained using an example of being used in a head-mounted display, but the application of the exit pupil expansion element is not limited to a head-mounted display. Good too.
(3)各実施形態において、射出瞳拡張素子に迷光低減部を設ける例を挙げて説明したが、これに限らず、例えば、射出瞳拡張効果を持たない導波部材の端部に迷光低減部を備えてもよい。 (3) In each of the embodiments, the example in which the stray light reducing section is provided in the exit pupil expanding element has been described, but the present invention is not limited to this. may be provided.
(4)各実施形態において、迷光低減部が全ての端部に設けられている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、迷光低減部は、一部の端部に設ける形態としてもよい。 (4) In each of the embodiments, an example has been described in which the stray light reducing section is provided at all ends. However, the present invention is not limited to this, and, for example, the stray light reducing section may be provided at some of the ends.
(5)各実施形態において、迷光低減部は、第1斜面部と第2斜面部との2つの対向する長さの等しい斜面を有し、断面形状が2等辺三角形形状に構成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、第1斜面部と第2斜面部との長さが異なっていてもよいし、斜面部が一方のみに設けられている形状としてもよい。さらに、斜面部は、断面形状が直線に限らず、断面形状が曲線、すなわち、曲面で構成された斜面であってもよい。さらに、迷光低減部の形状は、3つ以上の斜面部を備えていてもよい。さらに、迷光低減部は、先端が尖っている必要はなく、R面取りやC面取りされていたりしてもよい。 (5) In each embodiment, the stray light reduction section has two opposing slopes of equal length, a first slope section and a second slope section, and has an isosceles triangular cross-sectional shape. I listed and explained. However, the present invention is not limited to this, and, for example, the first slope portion and the second slope portion may have different lengths, or the slope portion may be provided only on one side. Furthermore, the slope portion is not limited to a straight cross-sectional shape, and may be a slope having a curved cross-sectional shape, that is, a curved surface. Furthermore, the shape of the stray light reduction section may include three or more sloped sections. Further, the tip of the stray light reducing portion does not need to be sharp, and may be rounded or curved.
なお、各実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。 In addition, although each embodiment and modification can also be used in combination suitably, detailed description is abbreviate|omitted. Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above.
1,1B 射出瞳拡張素子
10 基材層
10a 導波部
10b 第1平面
10c 第2平面
20 賦型層
21 入射部
22,22B 出射部
23 第2拡張部
25 迷光低減部
25a 第1斜面部
25b 第2者面部
211,221,221B,231 高屈折率部
212,222,222B,232 低屈折率部
225 迷光低減部
1, 1B Exit
Claims (4)
前記導波部上に配置、又は、前記導波部と一体に構成され、射出瞳を複数に分けて拡張して出射する拡張部と、
入射した光が進む向きを偏向させて前記拡張部へ進め、前記拡張部が光を拡張する向きと交差する向きに射出瞳を拡張する第2拡張部と、
を備え、
前記導波部の全ての端部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部と、
を備え、
回折して導波及び瞳拡張する対象の光の波長がそれぞれ異なる3枚の素子が空気層を挟んで重ねられて保持されている、射出瞳拡張素子。 a waveguide section that is configured in a flat plate shape and has a first plane and a second plane that are parallel to each other and guides light;
an extension part disposed on the waveguide part or configured integrally with the waveguide part, which divides the exit pupil into a plurality of parts, expands the exit pupil, and outputs the light;
a second expansion section that deflects the direction in which the incident light travels to the expansion section and expands the exit pupil in a direction that intersects the direction in which the expansion section expands the light;
Equipped with
a stray light reduction unit that is provided at all ends of the waveguide and has at least one of the functions of emitting or absorbing light that reaches the end of the waveguide;
Equipped with
An exit pupil expansion element in which three elements, each of which has a different wavelength of light to be diffracted, guided, and expanded, are stacked with an air layer in between.
前記迷光低減部は、前記導波部の前記第1平面及び前記第2平面の少なくとも一方に対して傾斜した斜面部を有すること、
を特徴とする射出瞳拡張素子。 The exit pupil expansion element according to claim 1,
The stray light reduction section has a slope section that is inclined with respect to at least one of the first plane and the second plane of the waveguide section;
An exit pupil expansion element featuring:
前記第1平面と同じ側に設けられた前記斜面部を第1斜面部とし、
前記第2平面と同じ側に設けられ、前記第1斜面部と対向して設けられた前記斜面部を第2斜面部とし、
前記第1平面と前記第1斜面部とがなす角をδ1とし、
前記第2平面と前記第2斜面部とがなす角をδ2とし、
前記導波部を導波する光が前記第1平面の法線となす角をθとし、
前記導波部の屈折率をn1としたときに、
0°≦δ1<90°であり、0°≦δ2<90°であるものとし、
δ1=0°の場合には、前記第1斜面部は、前記第1平面と同一平面であり、
δ2=0°の場合には、前記第2斜面部は、前記第2平面と同一平面であり、
前記第1斜面部と前記第2斜面部との少なくとも一方を備えており、
δ1<θ-asin(1/n1)
及び
δ2<θ-asin(1/n1)
の双方を満たすこと、
を特徴とする射出瞳拡張素子。 The exit pupil expansion element according to claim 2,
The slope portion provided on the same side as the first plane is a first slope portion,
The slope portion provided on the same side as the second plane and facing the first slope portion is a second slope portion,
Let δ1 be the angle formed by the first plane and the first slope,
Let the angle between the second plane and the second slope be δ2,
Let θ be the angle that the light guided through the waveguide makes with the normal to the first plane,
When the refractive index of the waveguide is n1,
0°≦δ1<90°, 0°≦δ2<90°,
When δ1=0°, the first slope portion is on the same plane as the first plane,
When δ2=0°, the second slope portion is on the same plane as the second plane,
comprising at least one of the first slope portion and the second slope portion,
δ1<θ−asin(1/n1)
and δ2<θ−asin(1/n1)
satisfying both of the following;
An exit pupil expansion element featuring:
前記斜面部には、光吸収作用を有する光吸収層が設けられていること、
を特徴とする射出瞳拡張素子。 In the exit pupil expansion element according to any one of claims 2 to 3,
The slope portion is provided with a light absorption layer having a light absorption function;
An exit pupil expansion element featuring:
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