TWI753617B - 圖像顯示元件及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題在於將塑膠用於導光板，且令使用者視認到之圖像資訊之亮度提高。 本發明之圖像顯示元件具備：塑膠基板；入射繞射光柵，其一體形成於塑膠基板表面，而將入射之映像光繞射；出射繞射光柵，其一體形成於塑膠基板表面，而出射映像光；及被覆層，其形成於出射繞射光柵上，厚度為10 nm以上1000 nm以下，折射率為1.64以上2.42以下。

Description

圖像顯示元件及裝置
本發明係關於一種組合有導光板與繞射元件之小型、輕量且可實現擴增實境之顯示之圖像顯示元件及裝置。
於擴增實境之圖像顯示裝置中，使用者不僅能夠觀察到經投影之影像，亦能夠同時對周圍進行觀察。經投影之影像可能與由使用者感知到之現實世界重疊。作為該等顯示器之其他之用途，可舉出視訊遊戲、及如眼鏡之可佩戴裝置等。使用者藉由佩戴半透明之導光板與投影機成為一體之眼鏡或護目鏡狀圖像顯示裝置，而可視認與現實世界重疊地自投影機供給之圖像。
針對此圖像顯示裝置之一，存在「專利文獻1」～「專利文獻3」所記載者。於該等專利文獻中，導光板包含形成於玻璃製基板之複數個凹凸形狀之繞射光柵。自投影機出射之光線藉由入射用之繞射光柵與導光板結合，一面進行全反射一面於導光板內部傳遞。光線一面進一步藉由其他之繞射光柵轉換為經複製之複數條光線，一面於導光板內進行全反射傳遞，並最終自導光板出射。出射之光線之一部分經由使用者之瞳孔而成像於視網膜，被視認為與現實世界之圖像重疊之擴增實境圖像。
於使用此凹凸型繞射光柵之導光板中，自投影機出射之光線之波數向量K於導光板中折射，且根據斯涅爾定律，波數向量成為K0。進而，藉由入射用之繞射光柵，轉換為可於導光板內部進行全反射傳遞之波數向量K1。由設置於導光板之另一個或複數個繞射光柵接受繞射作用，如K2、K3、…般，每當重複進行繞射時，波數向量變化。
若將最終於導光板出射之光線之波數向量設為K’，則|K’|=|K|，於投影機介隔著導光板位於與眼睛為相反側之情形下，K’=K。另一方面，於投影機介隔著導光板位於與眼睛為相反側之情形下，關於波數向量，導光板成為與反射鏡相同之作用，將導光板之法線向量區取為z方向，對波數向量之x、y、z成分進行比較，可表示為Kx’=Kx，Ky’=Ky，Kz’=-Kz。
導光板之功能係一面將自投影機出射之光線複製為複數條一面進行導波，使出射之複數條光線作為與原始圖像等效之圖像資訊由使用者辨識到。此時，經複製之光線群一面具有與自投影機出射之具有映像資訊之光線等效之波數向量，一面具有空間擴展性。經複製之光線群中一部分進入瞳孔，藉由與外界之資訊一起成像於視網膜而被視認出，可對使用者提供添加外界資訊之擴增實境之資訊。
具有映像資訊之光線根據其波長，而波數向量之大小不同。由於凹凸型繞射光柵具有一定之波數向量，故根據入射之光線之波長，而經繞射之波數向量K1不同，以不同之角度於導光板內傳遞。構成導光板之玻璃基板之折射率相對於波長大致一定，一面進行全反射一面進行導光之條件之範圍根據入射之光線之波長而不同。因而，為了令使用者辨識到廣視野角之圖像，而必須重疊複數片就每一波長不同之導光板。一般而言，認為導光板之數目適宜為對應於R、G、B各者之片數，或2片至4片左右，±1片。
「專利文獻1」所記載之圖像顯示裝置係用於在二維內將輸入光放大之圖像顯示裝置，具備3個直線狀繞射光柵。1個為入射用繞射光柵，其他2個出射用繞射光柵代表性地與導光板之表面及背面相互重疊地配置，發揮複製用與出射用繞射光柵之功能。又，於「專利文獻1」中，曾記載藉由圓柱狀之光子晶體之週期構造，而將出射用繞射光柵形成於1面之例。
「專利文獻2」所記載之圖像顯示裝置曾揭示，為了解決由「專利文獻1」之光子晶體投影之像於視野中央部亮度較高之問題，而由複數個直線狀之側面構成光學性構造之形狀之技術。
於「專利文獻3」、「專利文獻4」所記載之圖像顯示裝置中，兼具入射繞射光柵、偏向用繞射光柵、及出射繞射光柵之3個繞射光柵於導光板內區域不重疊地配置。於「專利文獻3」中，為了提高入射繞射光柵之繞射效率，而曾揭示懸於上方之三角形狀之繞射光柵。
於「專利文獻5」與「專利文獻6」中，曾揭示作為形成於導光板之繞射光柵，使用入射用與出射用之2個反射型體積全像攝影之技術。於其等中，反射型體積全像攝影係於空間內多重地形成對應於複數個波長之繞射光柵者，與「專利文獻1」～「專利文獻3」之凹凸型繞射光柵不同，使複數個波長之光線以相同之角度繞射。因而，可以1片導光板令使用者辨識到RGB圖像。另一方面，相對於在上文之凹凸型繞射光柵內，由於將光線在導光板內於二維方向複製，而可能獲得較廣之視野角，而反射型體積全像攝影由於僅提供一維複製之功能，而有視野角相對狹小之特徵。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特表2017-528739號公報 [專利文獻2]WO 2018/178626A1 [專利文獻3]WO 2016/130342A1 [專利文獻4]WO 99/52002A1 [專利文獻5]日本特開2007-94175號公報 [專利文獻6]日本特開2013-200467號公報
[發明所欲解決之問題]
以下，作為導光板，針對具有凹凸型繞射光柵之導光板，進行說明。又，為易於理解，而省略因眼睛之透鏡作用所致之圖像之反轉、及將投影至視網膜之影像以腦處理並進一步反轉而認知到之效果，針對自相對於導光板配置於與眼睛相同之側之映像光源投影至前方之螢幕之投影像，討論像素位置與亮度之關係。實際上視認到之像成為相對於其上下反轉者。
於「專利文獻1」中，關於導光板之基板材料，如其圖15A般，曾揭示使用玻璃材料之技術。關於繞射光柵，如其0017項般，曾揭示對波導(=玻璃板)表面藉由蝕刻進行加工而形成之技術。又，於「專利文獻1」中，如其0039項般，曾揭示使用光子晶體將2個出射繞射光柵形成於1面之技術於欲以射出形成法形成與「專利文獻1」之光子晶體同樣之圓柱構造之情形下，如後述般，圓柱之折射率變得與波導(或基板)相等。此情形下，若圓柱之直徑與高度之比即縱橫比大於2左右以上，則投影像之亮度不充分。
對「專利文獻2」所記載之投影像中央部成為高亮度之狀況予以改善之光子晶體，為了解決由直線狀而非圓柱狀之光子晶體投影之像於視野中央部亮度較高之問題，而以複數個直線狀之側面構成光學性構造。於「專利文獻2」中，如其第1頁第34行般，為改善中央部之條帶狀之高亮度部分者。此外，「專利文獻2」中所引用之WO2016/020643好公報與「專利文獻1」相同。於圖等中未明示性地揭示於「專利文獻2」中視為問題之中央部之條帶狀之高亮度部分。
「專利文獻3」之圖5C所揭示之入射繞射光柵之剖面形狀具有懸於上方之三角形狀之剖面，可將自圖中上方向(空氣側)入射之映像光線高效率地朝經陰影化之導光板之內部耦合。
一般而言，於圖像顯示元件中，具有映像資訊之光線以具有藉由設置於導光板內之入射繞射光柵可於導光板內進行全反射導光之波數之方式耦合，且於導光板內傳播。與出射繞射光柵交叉之光線之一部分經繞射，具有與原始映像光線等效之波數且自導光板出射。對使用者提供之映像資訊具有相應於原始映像資訊之像素位置之進行角資訊、亦即波數。1個像素之映像資訊為了自導光板出射並到達使用者之瞳孔，而必須從由進行角、導光板與使用者之瞳孔之間之距離、及使用者之瞳孔之大小決定之導光板內之特定之位置出射。如前述般，由於在導光板內，光線經複製且於空間上擴展而出射，故由使用者視認到之光線係空間擴展性越大則越變少，視認到之亮度越變小。另一方面，由於由使用者視認到之出射位置根據原始映像資訊之像素位置而變化，故於使用導光板之圖像顯示裝置中，亮度不可避免地因像素位置而變化。
於上述先前技術中，針對導光板之製作適宜利用直接蝕刻玻璃基板之方法、或適於高縱橫比之圖案形成之奈米壓模法等。於以塑膠之射出成型獲得「專利文獻1」與基於其之「專利文獻2」之光子晶體之構造之情形下，於光子晶體中，必須將底面之直徑等之代表性長度與其高度之比即縱橫比設為2左右以上。
此處，於如「專利文獻1」等所揭示般將玻璃用於導光板之情形下，於加工之成本與使用者安裝時之重量上存在問題。因而，藉由將塑膠用於導光板，而可解決該問題。此外，於本說明書等中，「樹脂」與「塑膠」之用語以同義使用。塑膠意指包含高分子化合物之材料，係不包含玻璃，而包含樹脂、聚碳酸酯、丙烯酸系樹脂、光固化樹脂之概念。
於將塑膠用於導光板之情形下，可以作為光碟媒體之製造方法而具有實際效果之射出成型技術等形成繞射光柵。由於以射出成型技術等形成之表面凹凸圖案之縱橫比不超過1，故於2以上之縱橫比下，圖案轉印之精度降低而難以運用。此係由熔融之聚碳酸酯樹脂、丙烯酸系樹脂、聚烯烴樹脂等之黏性較高，樹脂不會高進度地進入以奈米週期構成之高縱橫比之凹凸之本質性製造方法之原理引起之問題。又，「專利文獻3」之入射繞射光柵由於利用懸於上方之三角形狀之繞射光柵，故於射出成型技術等中母模(壓模)與導光板無法剝離，故而無法應用。
由於與先前之玻璃製之導光板比較，塑膠製之導光板之機械強度(楊氏模數)較小，故因環境溫度或氣壓所致之變形變大。針對細節於後文描述，有效的是採用如隔著導光板而使用者與映像源位於相反側之透過型光學構成。因而，較理想為於透過型光學構成中亦可避免使用者視認到之圖像資訊之亮度降低之構成。
如此，為了將塑膠製之導光板應用於圖像顯示元件，而需要考量製造方法及圖像資訊之亮度之構成。因而，本發明之課題將塑膠用於導光板，且令使用者視認到之圖像資訊之亮度提高。 [解決問題之技術手段]
本發明之較佳之一態樣之圖像顯示元件具備：塑膠基板；入射繞射光柵，其一體形成於塑膠基板表面，而將入射之映像光繞射；出射繞射光柵，其一體形成於塑膠基板表面，而出射映像光；及被覆層，其形成於出射繞射光柵上，厚度為10 nm以上1000 nm以下，折射率為1.64以上2.42以下。
本發明之較佳之一態樣之圖像顯示元件具備：塑膠基板；入射繞射光柵，其一體形成於塑膠基板表面，而將入射之映像光繞射；出射繞射光柵，其一體形成於塑膠基板表面，而出射映像光；及被覆層，其當將入射繞射光柵之凹凸圖案之週期高度設為H時，將2種介電體材料交替地積層N(N為自然數)週期，當將該等膜厚設為d1、d2時，d1+d2大致等於H，且(d1+d2)×N為1000 nm以下。
本發明之較佳之另一態樣之圖像顯示裝置係搭載有上述之圖像顯示元件者，構成為入射繞射光柵與出射繞射光柵形成於塑膠基板之第1面，自塑膠基板之第1面與相反側之第2面側入射映像光，且能夠自塑膠基板之第1面側視認到映像光。 [發明之效果]
根據本發明，能夠將塑膠用於導光板，且令使用者視認到之圖像資訊之亮度提高。
以下，參照圖式說明本發明之實施形態。惟，本發明並非係限定於以下所示之實施形態之記載內容而解釋者。於不脫離本發明之思想乃至旨趣之範圍內，只要係本領域技術人員容易理解可變更其具體的構成。
於以下說明之發明之構成中，有對同一部分或具有同樣之功能之部分，於不同之圖式間共通地使用同一符號，且重複之說明省略之情形。
於存在複數個同一或具有同樣之功能之要素之情形下，有對同一符號賦予不同之下標而進行說明之情形。惟，於無須區別複數個要素之情形下，有省略下標而進行說明之情形。
本說明書等之「第1」、「第2」、「第3」等之記述係為了對構成要素予以辨識而賦予者，未必係限定數目、順序、或其內容者。又，用於構成要素之辨識之編號就每一文脈而使用，於一個文脈中使用之編號於其他之文脈中未必限定為表示同一構成。又，並非係妨礙以某一編號辨識出之構成要素兼具以其他之編號辨識出之構成要素之功能者。
圖式等中所示之各構成之位置、大小、形狀、範圍等為了易於理解發明，而有不表示實際之位置、大小、形狀、範圍等之情形。因而，本發明未必限定於圖式等所揭示之位置、大小、形狀、範圍等。
本說明書中引用之刊物、專利及專利申請案直接構成本說明書之說明之一部分。
於本說明書中以單數形式表示之構成要素只要文脈中無特別明示，則設為包含複數形式者。
於本實施例中，於出射繞射光柵上，藉由濺射法等形成薄膜被覆層，使向使用者眼睛之方向之繞射效率提高。藉此，應用塑膠製之導光板，且謀求圖像資訊之亮度提高。由形成於塑膠製導光板之表面之凹凸圖案引起之繞射效率之上限主要由光源之波長與圖案高度及塑膠材料之折射率決定，如後述般，最大為約4%左右。藉由於出射繞射光柵上，以介電體材料形成薄膜被覆層，而可將其提高至2倍左右。針對細節，於以下之實施例中描述。
圖1A及圖1B係說明由薄膜被覆層引起之透過型出射繞射光柵之繞射效率之提高的示意圖。圖1A係塑膠製之導光板之剖面之示意圖。導光板100係由塑膠材料形成，於表面以凹凸圖案形成出射繞射光柵102。若利用射出成型法等塑膠成型技術，則其等一體成型地由相同之材料形成。惟，於射出成型法等塑膠成型技術中，出射繞射光柵之凹凸圖案之縱橫比(高度/寬度)較佳為設為大致1以下。出射繞射光柵對於入射光之相位調變量係由凸部之塑膠材料之折射率與凹部之空氣之折射率之差支配。
圖1B係藉由濺射法等，於出射繞射光柵102之表面以介電膜形成被覆層103之情形之示意圖。於表面反映原始之繞射光柵圖案之凹凸，而形成介電體材料之凹凸圖案。此時，藉由令使用之介電體材料之折射率高於塑膠材料之折射率，而相位調變量以反映介電體材料與空氣之折射率差之方式變大。藉此，即便凹凸圖案之縱橫比為1以下，亦可獲得較大之繞射效率。詳細而言，必須決定介電體材料之膜厚，以藉由FDTD(Finite Differential Time Domain，有限差分時域)法等實施電磁場解析，獲得特定之繞射效率。如後述般，當形成之介電體材料之膜厚為10 nm至200 nm左右時，可獲得增大繞射效率之效果。
於射出成型法等具有實際效果之塑膠成型技術中，被轉印至導光板之表面之凹凸圖案之縱橫比越小越容易形成。作為減小凹凸圖案之縱橫比之方法，較佳為採用二維之網目狀之圖案之繞射光柵，而作為出射繞射光柵102。藉此，被轉印至導光板之表面之凹凸圖案之縱橫比容易成為1以下，可容易提供使用射出成型法等具有實際效果之塑膠成型技術之導光板。
光子晶體及繞射光柵係藉由表面凹凸而對入射光於空間上影響相位調變者。相位調變之大小與表面構造與空氣之折射率之差及表面凹凸之高度呈比例地變大。
圖2係示意性顯示出射繞射光柵102之波數者。於圖2(a)、圖2(b)中分別顯示具有對於Y軸具有±60度之方位角之K1、K2之繞射光柵之相位函數，各者具有正弦波狀之相位分佈。相位調變量被規格化為1。若將其等合成，則獲得圖2(c)，專利文獻1等所記載之光子晶體可謂將其近似於柱等，且以高折射率之材料形成於導光板之表面者。如於圖觀察到般，K1+K2之相位調變量之最大值成為2，若以孤立之圓柱等將其近似，則與圖2(a)、圖2(b)之單一之正弦波繞射光柵比較，需要2倍之高度(縱橫比)。
圖3係將出射繞射光柵102設為網目狀之出射繞射光柵之實施例之立體圖。由於與圖2(c)比較，並非為正弦波構造，故若進行傅立葉變換，將具有高次之波數成分，但於作為導光板而利用之情形下，藉由適切地選擇週期，則可使2次以上之波數成分相對於入射光無法繞射(波數為虛數)。其結果，網目狀之繞射光柵係將±60度之矩形繞射光柵重合而成者，與圓柱等比較，由於不具有基本波K1、K2之方向以外之波數成分，故繞射效率可提高。
藉此，可提供減小縱橫比之二維之出射繞射光柵，可以射出成型法等塑膠成型技術實現，可提供安全、輕量且圖像亮度較高之導光板。
如後文所說明般，關於本實施例之入射繞射光柵，較理想為藉由設為反射型繞射光柵，而非「專利文獻3」之透過型繞射光柵，而針對折射，利用偏向作用較大之反射，藉此謀求低縱橫比化。
於本說明書中，於將光軸方向取作Z軸，將XY面取作導光板之表面之座標系中進行說明。又，若令使用者之瞳孔近似於圓形，則相應於像素位置，由使用者視認到之導光板內之出射位置亦成為圓形。以下，將其稱為出射圓。
圖4係用於說明出射圓之示意圖。此處，顯示用於形成圖像之光源即投影機300與使用者之瞳孔400相對於導光板100配置於相反側之情形。入射繞射光柵101之波數向量朝向y方向，圖4中之箭頭表示x-z面內之光線。此處，入射繞射光柵101不具有x方向之波數向量成分。
由使用者視認到之映像光線中之與視野之中央對應之顯示像之中央之光線301如圖所示般，於x-z面內直進並到達使用者之瞳孔400。雖然導光板100之作用即向y方向之繞射並未明示地表現，但於入射繞射光柵101與出射繞射光柵102至少各繞射一次。
另一方面，由使用者視認到之映像光線中之與視野周邊對應之顯示像之周邊之光線302於無向x方向之繞射之情形下，於圖中向右側之方向行進。另一方面，為了令使用者將該光線視認為投影像，而圖中，相同之角度之光線必須經由以視認到之光線304表示之路徑，到達使用者之瞳孔400。出射圓303位於出射繞射光柵102上，係將使用者之瞳孔400於視認到之光線之方向上平行移動之假想性圓。僅自出射繞射光柵102上之出射圓303出射之光線304由使用者辨識為投影像，其以外之光線未被辨識到。如此，出射繞射光柵102需要x方向之繞射作用。
圖5係使用後述之模擬方法計算之於導光板內部傳播之光線之強度分佈。此處，需注意於導光板之包含繞射光柵之面內x-y面顯示強度分佈。圖中，入射繞射光柵101配置於上側，於其下方配置相當於使用者之眼睛之瞳孔。
圖5(a)顯示於像素位置為經投影之像之中央之情形下，光向像中央之強度分佈。圖中之出射圓表示到達瞳孔之光線於出射繞射光柵102上最後繞射到之區域。自入射繞射光柵101朝向y方向之直線上之亮度較高之區域表示於入射繞射光柵101繞射且於導光板內部傳遞之主要之光線群(以下為主光線群)。如於圖觀察到般，具有藉由主光線群之傳遞，而強度逐漸衰減之特性。朝主光線群之周邊擴展之亮度較低之光線群係藉由出射繞射光柵102繞射，而於x-y面內行進方向經偏向之光線群。於該條件下，由於經投影之光線位於z軸方向，故判定為於x-y面內，出射圓與瞳孔一致。因而，到達瞳孔且被辨識為圖像的是強度較強之主光線群之一部分。
圖5(b)顯示於投影像之右上角之像素位置之情形下，光向像周邊之強度分佈。如於圖觀察到般，主光線群自入射繞射光柵101朝向右下方向行進。雖然瞳孔之位置為一定，但出射圓由於位於朝向瞳孔朝右上行進之光線群之出射位置，故於x-y面內相對於瞳朝左下偏移。此情形下，由於出射圓位於遠離主光線群之位置，故到達瞳孔且被視認為圖像之光線群與上圖之情形比較，亮度變低。以上為使用導光板100將像投影時產生亮度偏差之理由之主要原因。
若將光柵節距設為P，則繞射光柵之波數向量之大小以K=2π/P表示。若於將光軸方向取作z軸之座標系中進行表示，則入射繞射光柵101之波數向量為K1 =(0,-K,0)。出射繞射光柵102具有形成之角為120度之2個波數向量，其等為K2 =(+K/√3,K/2,0)、K3 =(-K/√3,K/2,0)。若將朝導光板100入射之光線之波數向量設為ki =(ki x ,ki y ,ki z )，將出射之光線之波數向量設為ko =(ko x ,ko y ,ko z )，且使K1 、K2 、K3 對ki 依次作用，則如以下般，ko =ki ，可知出射與入射光線相同波數向量之光線、亦即具有相同之映像資訊之光線。
ko =ki ko x =ki x +0+(K/√3)-(K/√3)=ki x ko y =ki y +K-(K/2)-(K/2)=ki y ko z =ki z
其次，簡單描述用於實施例之圖像顯示元件之解析之模擬方法。於1962年由G. H. Spencer人等提倡之光線追蹤法[G. H. Spencer and M. B. T. K. Murty, 「General Ray-Tracing Procedure」, J. Opt. Soc. Am. 52, p.672 (1962).]係藉由著眼於光之粒子性，追蹤路徑，而計算於某一點觀測到之像等之方法，以電腦繪圖領域為中心，持續進行精心改良。基於光線追蹤法之蒙特卡羅光線追蹤法[I. Powell 「Ray Tracing through systems containing holographic optical elements」, Appl. Opt. 31, pp.2259-2264 (1992).]係藉由概率性地處理因繞射及反射等所致之路徑之分離，而防止運算量之指數函數性增大之方法，適於重複繞射與全反射傳遞之導光板之模擬。雖然於蒙特卡羅光線追蹤法中可如實再現反射及折射，但關於繞射，必須開發適合之模式。
於面向頭戴式顯示器之導光板中，需要與遍及可見光全域之波長範圍(約400-700 nm)、及對應於投影影像之視野角(約40ﾟ)之入射角範圍對應之繞射模式，以市售模擬器運算量會變龐大。此處，鑒於視認到之光線係所有光線之一部分，而使用藉由預先停止向未被視認到之區域導波之光線之計算之演算法，而將運算量削減至1/1000以下之演算法。由根據繞射光柵之繞射效率之角度及波長依存性採用預先將由FDTD(Finite Differential Time Domain，有限差分時域)法獲得之計算結果圖表化而加以參照之方式。 [實施例1]
以下，詳細說明實施例之圖像顯示元件。
＜1.圖像顯示元件之整體構成＞ 圖6顯示實施例之圖像顯示元件之構成。此處，圖像顯示元件10包含2片導光板100a、100b，各自形成入射繞射光柵101、出射繞射光柵102。
入射繞射光柵101係直線狀之表面凹凸型繞射光柵。作為入射繞射光柵101，例示繞射效率較高之閃耀繞射光柵(blazed grating)，但種類無特別限定。
出射繞射光柵102各者之圖案週期與入射繞射光柵101相同。於出射繞射光柵102之表面分別形成被覆層103。導光板100a、100b具有互不相同之圖案週期P1、P2，對應之波長範圍不同。於P1＜P2之情形下，導光板100a主要於彩色圖像之波長範圍中之短波長側之顯示上發揮功能，導光板100b主要於長波長側之顯示上發揮功能。P1為例如360 nm，P2為例如460 nm。導光板100之數目為任意，可相應於處理之光之波長而為一個或三個以上之複數個。各導光板之圖案週期較理想為相應於處理之波長而變化。
根據後述之理由，入射繞射光柵101配置於導光板100之與映像光之入射面為相反側之面。於本實施例中，出射繞射光柵102形成於與入射繞射光柵101相同之面。於在同一面形成兩個繞射光柵之情形下，由於用於形成繞射光柵圖案之壓模可為一片，故於成本方面實為有利。另一方面，發明人等進行出射繞射光柵之繞射效率之探討之結果，可知若考量用於在導光板100內導光之反射繞射，則令使用者視認到一次反射繞射光可更提高視認亮度。若如圖6般將入射繞射光柵101與出射繞射光柵102均配置於與映像光之入射面為相反側之面，則使用者視認到一次透過繞射光，而提高亮度之構成變重要。此外，亦可將入射繞射光柵101與出射繞射光柵102分別形成於相反側之面。
出射繞射光柵102之形狀可為與入射繞射光柵101同樣之直線條帶形狀，亦可為圖3所示之網目形狀。若設為網目形狀，則有繞射效率可進一步提高等之效果，但並非排除其他之繞射光柵之形狀。
於本實施例中，出射繞射光柵102原則上而言僅形成於導光板100之一個面。亦即，於圖6之例中，導光板100之與出射繞射光柵102為相反側之面無圖案，且原則上而言為平坦。與出射繞射光柵102為相反側之面實質上不引起繞射，光線理想地進行全反射。若於導光板100之兩面分散配置一個出射繞射光柵，則有可能因導光板之熱膨脹等產生兩個繞射光柵之位置偏移。
根據此構成，自投影機300出射之映像構成可由使用者之瞳孔400視認到。來自投影機300之光相對於圖像顯示元件10自與使用者之瞳孔400為相反側入射。惟，投影機300無須實體上配置於與使用者之瞳孔400為相反側，只要使來自配置於任意之位置之投影機300之光線以反射鏡等自導光板100之任意之面入射即可。
圖7顯示形成於1片導光板100之入射繞射光柵101與出射繞射光柵102之波數向量之關係之一例。如前述般，為了使導光板100作為圖像顯示元件發揮功能，而於圖中，只要波數K1、K2、K3之大小相等，且滿足K1+K2+K3=0之關係即可。
＜2.出射繞射光柵之構成＞ 根據圖8，首先，描述出射繞射光柵102之具體例。根據圖8(a)與圖8(b)，進行了相同之縱橫比為0.8之情形之光子晶體與網目型繞射光柵之投影像之比較。圖8(a)係「專利文獻1」所記載之柱型光子晶體之立體圖與其投影像之模擬結果。圖8(b)係本實施例之網目型繞射光柵之立體圖與其投影像之模擬結果。形狀以外之條件相同。如於圖觀察到般，可知於縱橫比為1以下之情形下，於光子晶體中，投影像之中央部之亮度較高，視認性較差。與其比較，本實施例之網目型繞射光柵可以低縱橫比之圖案獲得良好之投影像。
於網目型繞射光柵中，模擬了圖案之負載與繞射效率及縱橫比之關係。若將繞射光柵之圖案之節距設為p，將圖案之寬度設為w，則負載以w/p表示。於模擬中，圖案節距p=460 nm，圖案高度=70 nm，光線之波長=550 nm，導光板之厚度=1.0 mm，導光板之折射率=1.58。投影像之視野角為40度。
根據模擬結果，判定為一次繞射效率η1為當w/p=0.5時，最大值成為約4.2%，且隨著w/p接近0或1而降低之特性。於獲得0.6%左右之繞射效率之情形下，本實施例之網目型繞射光柵之w/p必須設定於0.15以上0.85以下之範圍。又，效率較佳的是w/p為0.3以上0.7以下之範圍，效率最佳的是w/p為0.4以上0.6以下之範圍。
關於圖案之縱橫比，由於固定為圖案高度=70 nm，故若w/p接近1或0，則縱橫比增加。若以將圖案之縱橫比設為1以下為射出成型法等之適應基準，則本實施例之網目型繞射光柵之w/p必須設置於0.15至0.85之範圍。又，w/p=0.5時，縱橫比最小，最容易製造。
根據上文，可謂原理上而言，當w/p=0.5、亦即w=p-w時，網目型繞射光柵之繞射效率最大，且圖案之縱橫比最小。
根據圖9，其次，描述入射繞射光柵101之具體例。
＜3.入射繞射光柵之構成＞ 圖9(a)係與「專利文獻3」相同之透過型繞射光柵之模擬結果。透過型繞射光柵供入射之光進行透過繞射，並於導光板(基板)100內部傳遞。入射繞射光柵101之位置形成於導光板100之靠近光源之面。
映像光線1000為自左入射之構成，圖之右半分表示基板(Sub)。於透過型繞射光柵中，於由閃耀面引起之折射與由週期構造引起之繞射相位同調之條件下，獲得最大之繞射效率。如圖所示般，為了實現其，而凹凸圖案之高度必須較大，圖案之角度必須為70度至80度，將圖案之高度除以週期之縱橫比必須為10以上。於射出成型等一般之塑膠成型法中，若縱橫比超過1，則產生轉印性惡化等問題，量產時之成品率降低。此處所示之透過型繞射光柵判定為並不適於作為本實施例之入射繞射光柵。
圖9(b)係反射型繞射光柵之模擬結果。於反射型繞射光柵中，入射之光反射繞射、亦即朝光源側反射並於導光板(基板)100之內部傳播。入射繞射光柵101之位置形成於導光板100之遠離光源之面。
映像光線1000同樣地為自左入射之構成，圖之左半分表示基板(Sub)。於反射型繞射光柵中，於由閃耀面引起之繞射與由週期構造引起之折射相位同調之條件下，獲得最大之繞射效率。如於圖觀察到般，判定為與透過型比較，以較低之縱橫比之凹凸圖案滿足該條件。此時之凹凸圖案之高度為約250 nm，縱橫比為約0.57。於前述之試製元件中，可良好地轉印圖案高度為374 nm之三角形狀之凹凸圖案。可謂對於採用塑膠形成之本實施例之導光板較佳之入射繞射光柵為反射型入射繞射光柵。
＜4.導光板之斜率之影響之探討＞ 圖10A及圖10B係顯示2片導光板100之相對斜率之影響之示意圖。於圖10A及圖10B中，導光板100係由對應波長互不相同之導光板100a及100b構成。又，300表示映像投影用之投影機，400表示使用者之瞳孔，500表示經投影之映像光線。
於該例中，基於圖9所說明之見解，入射繞射光柵採用反射型繞射光柵。因而，入射繞射光柵101形成於導光板100之遠離投影機300之面(圖中為右面)。出射繞射光柵102由於在製程之方便性上而言，形成於與入射繞射光柵101相同之面可提高精度，故相同地形成於遠離投影機300之面。
圖10A係投影機300與使用者之瞳孔400相對於導光板100配置於相同之側之情形。如圖所示，導光板100最終將映像光線500反射，並使之到達使用者之瞳孔400。因而，若與導光板100a比較，導光板100b傾斜，則根據經投影之光線之波長，視認到之像素位置偏移，畫質降低。由於視力1.0之使用者之光線角度之解析能力為1/60度，故若以此為基準，則2片導光板之相對斜率必須較1/60度更充分小，與先前之玻璃製比較，於機械強度(楊氏模數)較小之塑膠導光板，難以實現作為頭戴式顯示器之安裝。此情形下，出射繞射光柵之反射繞射效率越高，則可對使用者提供亮度越高之映像資訊。
圖10B係投影機300與使用者之瞳孔400相對於導光板100配置於相反側之情形。如圖所示，導光板100最終將映像光線500透過，並使之到達使用者之瞳孔400。由於入射光與出射光之角度基本上相同，故即便存在導光板100a與100b之相對斜率，原理上而言亦不產生由波長所致之投影像之偏移。因而，於將本實施例之塑膠製導光板安裝於頭戴式顯示器之情形下，較理想為將投影機光源相對於導光板100設於與使用者之瞳孔400為相反側(透過型光學構成)。
實際上，由於在導光板內部進行全反射導光之光線角度條件受影響，故預先附記較理想為導光板100a與100b之相對斜率抑制為3度左右以下。此情形下，出射繞射光柵102之透過繞射效率越高，則可對使用者提供亮度越高之映像資訊。
＜5.視認亮度向上之探討與出射繞射光柵之改善＞ 以FDTD法計算於導光板100傳遞中之光於出射繞射光柵102繞射並自導光板100出射時之繞射效率。假設波長550 nm、導光板之折射率1.58、繞射光柵之圖案週期460 nm、凸部之寬度150 nm、凸部之高度70 nm，於相當於投影像之中央像素之光因入射繞射進行耦合並於導光板內部進行全反射傳遞之條件下，反射繞射效率成為3.5%，透過繞射效率成為2.8%。凹凸圖案之縱橫比為0.47。與圖10B同樣地，於出射繞射光柵102形成於與入射繞射光柵101相同之面之情形下，由使用者視認到之光線於出射繞射光柵102進行透過繞射。因而，於圖10B所示之透過型光學構成中，與圖10A之反射型光學構成比較，由使用者視認到之投影像之亮度降低。
圖11係以濺射法形成出射繞射光柵102上之薄膜被覆層，而作為ZnS-SiO2 (20%)薄膜(折射率2.33)，於橫軸表示該介電體薄膜之膜厚，於縱軸表示透過繞射效率、及導光板之透過率者。
此處，以FDTD法計算於導光板100傳遞中之光於出射繞射光柵102繞射並自導光板100出射時之透過繞射效率。假設波長550 nm、導光板100之折射率1.58、出射繞射光柵102之圖案週期460 nm、凸部之寬度150 nm、凸部之高度70 nm，進行了相當於投影像之中央像素之光因入射繞射進行耦合並於導光板內部進行全反射傳遞之條件下之透過繞射效率之計算。
如於圖11(a)觀察到般，藉由於出射繞射光柵102上形成介電體薄膜，而透過繞射效率提高，可提供亮度較高之映像資訊。於重視視認亮度之情形下，若將介電膜之膜厚設為70 nm，則透過繞射效率成為7.3%，與未施以被覆層之情形之2.8%比較，可謀求2.5倍以上之效率提高。若將介電膜之膜厚設為170 nm，則透過繞射效率成為9.3%，與未施以被覆層之情形之2.8%比較，可謀求3倍以上之效率提高。
又，繞射效率之提高亦表現於反射繞射效率，於形成約20 nm以上之膜厚之情形下，可超過未施以被覆層之情形之反射繞射效率。因而，即便將出射繞射光柵102形成於與入射繞射光柵101相同之面，亦可獲得較大之亮度。
圖11(b)係導光板之透過率之計算結果，對應於使用者對外界進行視認之情形之明亮度。例如，於ZnS-SiO2 (20%)薄膜之情形下，當其厚度設為70 nm時，導光板之透過率與未形成介電體薄膜之情形之約91%比較，降低至約72%。其於例如使用者於室外使用本實施例之頭戴式顯示器時，具有藉由將較強之外部光之像減光至約8成(=72%/91%)，且使投影像之亮度提高至約2.5倍(7.3%/2.8%)，而提高投影像之視認性之效果。又，若將介電膜之膜厚設為170 nm，則進而投影像之明亮度與外界比較看似更明亮。根據圖11(b)，於膜厚為70 nm以上、170 nm以下之範圍內，透過率成為68～80%，若考量繞射效率提高之效果，則可提高投影像相對於外界之相對亮度。
一般而言，由濺射法等形成之介電體薄膜根據裝置、靶、真空度、RF(高頻)電力等之成膜條件，而密度及內部應力變化。於本實施例中，發明人等針對成膜之介電體薄膜，利用由分光光度計獲得之反射率與透過率之測定結果而確定折射率。於以其他之成膜方法及裝置形成介電體薄膜之情形下，由於折射率有相差±5%左右之情形，故預先附記。
作為對於本實施例較佳之薄膜材料，除此處例示之ZnS-SiO2 (20%)以外，還可使用ZnS、AlN、SiNx、SiO、AlON、Al2 O3 等介電體材料。
根據本實施例，於具有表面凹凸型繞射光柵之導光板(圖像顯示元件)中，藉由於出射繞射光柵之表面，藉由濺射法等形成介電體材料等之被覆層，而可使出射光之繞射效率增加至4%以上。若使用網目型出射繞射光柵，則可藉由射出成型法等實現導光板之塑膠化，可實現安全、輕量且亮度較高之導光板。 [實施例2]
於本實施例中，著眼於使用者視認到之圖像之亮度分佈之平滑化，而顯示改善導光板之顯示性能之實施例。
＜2-1.亮度分佈之平滑化之探討＞ 以FDTD法計算於導光板100傳遞中之光於出射繞射光柵102繞射並自導光板100出射時之透過繞射效率，並將透過繞射效率之入射角依存圖表化。使用其進行光線追蹤，求得使用者視認到之像。此處，假設波長為635 nm，導光板之折射率為1.58，繞射光柵之圖案週期為460 nm，凸部之寬度為150 nm，凸部之高度為90 nm。又，將導光板100之厚度設為1 mm，朝入射繞射光柵101入射之映像光線之直徑為4 mm，將入射繞射光柵101與出射繞射光柵102之間之距離設為5 mm，將導光板100至使用者之瞳孔400之距離設為25 mm，將使用者之瞳孔400之直徑設為3 mm。
圖12係用於計算之物體模式之一例。於塑膠製之導光板100之表面形成凹凸圖案之出射繞射光柵102，於其上，以一定之膜厚形成介電體薄膜之被覆層103。實際上，凹凸圖案伴隨著傾斜角而成為接近梯形之剖面形狀，但此處，為了計算模式之簡單化，而將理想的矩形繞射光柵假定為剖面形狀。結果為，介電體材料為ZnS-SiO2 (20%)。圖中黑色所示之部分1200表示空氣層。
圖13係計算出之視認像之一例。將顯示像素設為1280x720像素，此處，將橫方向設為X方向，將縱方向設為Y方向。入射繞射光柵之波數向量為Y方向。根據顯示像之Y方向之像素位置，而映像光線之入射角及導光板內之傳遞角變化。
圖14A～圖14C顯示對於Y方向之像素位置之計算結果。被覆層103之材料採用ZnS-SiO2 (20%)。
圖14A顯示於導光板100內部傳遞之光線之角度、亦即向出射繞射光柵102之入射角。判定為若像素位置變大，則入射角變小。
圖14B係透過繞射效率之計算結果。此處，顯示將被覆層103之膜厚設為0、25、35 nm之3種情形。如於圖觀察到般，於未形成被覆層103之情形(厚度0 nm)下，判定為隨著像素位置之增加，而透過繞射效率增加。另一方面，於形成介電體薄膜之情形下，若形成為例如35 nm，則判定為隨著像素位置之增加，而可降低透過繞射效率。又，若形成為25 nm，則判定為相對於像素位置之增加，而透過繞射效率相對不變。
圖14C係使用者視認到之亮度之計算結果。如於圖觀察到般，於未形成介電體薄膜之情形(厚度0 nm)下，隨著像素位置之增加，而亮度之增加較顯著。又，於介電膜厚為35 nm之情形下，於中央部之亮度較高，但隨著像素位置之增加，而亮度之減少較顯著。另一方面，於介電膜厚25 nm之情形下，無論像素位置為何處，均可提供平坦之亮度分佈之像。因此，於介電膜厚為25 nm以上、未達35 nm時，謀求兼顧亮度提高與平坦之亮度分佈之兩者。
根據本實施例，藉由於出射繞射光柵之表面形成介電體薄膜，而可控制使用者視認到之像之亮度分佈。於上述之例中，於介電膜厚為25 nm之情形下，可使亮度分佈近於平坦。
＜2-2.膜材料與折射率之探討＞ 作為對於本實施例較佳之薄膜材料，除可利用ZnS、AlN、SiNx、SiO、AlON、Al2 O3 等介電體材料以外，還可如ZnS-SiO2 (20%)般利用2種以上之介電之混合材料。
圖15A係顯示對於本實施例較佳之介電體材料之折射率之範圍之模擬結果。以上文所示之各種介電體材料形成之被覆層103之膜厚，為了與ZnS-SiO2 (20%)之膜厚35 nm(=0.128λ，λ=635 nm)比較，而以折射率規格化，相同地設為0.128λ。
於圖中，縱軸係以無被覆層103之情形為1，而將干預投影像之中央之亮度提高之透過繞射效率規格化者。如於圖觀察到般，判定為具有隨著形成於出射繞射光柵102上之被覆層103之折射率變大，而透過繞射效率增加，視認到之像之亮度提高之效果。
圖15B係將圖15A之一部分放大者。根據本實施例之介電膜之效果，若繞射效率為1.2倍，則於令使用者視認到相同之明亮度之像之情形下，與無介電膜之情形比較，光源之消耗電力可降低20%。若將該條件設為由本實施例實現之效果顯著化之條件，則判定為介電體材料之折射率只要為1.64以上即可。
作為對於本實施例較佳之薄膜材料，除可利用ZnS、AlN、SiNx、SiO、AlON、Al2 O3 等介電體材料以外，還可如ZnS-SiO2 (20%)般利用2種以上之介電之混合材料。作為周知之介電體材料，金剛石具有最高折射率(2.42)，如圖15A所示，對於本實施例較佳之介電體薄膜之折射率之上限為2.42。
圖16A係顯示對於本實施例較佳之介電體材料之膜厚範圍之模擬結果。作為介電體材料，採用ZnS(折射率2.355)。於圖中，縱軸係將干預投影像之中央之亮度提高之透過繞射效率規格化者。如於圖觀察到般，判定為具有隨著形成於出射繞射光柵上之介電膜之膜厚變厚，而透過繞射效率增加，視認到之像之亮度提高之效果。若膜厚為約70 nm以上，則獲得無膜之情形之約3倍以上之繞射效率。
圖16B係形成於平坦之基板上之介電體薄膜、所謂之光學薄膜被覆層之反射率之膜厚依存性。此處，與上文同樣地將基板之折射率設為1.58，作為介電體材料，選擇ZnS，並計算其膜厚與反射率之關係。如於圖觀察到般，判定為相對於膜厚，反射率週期性地變化。此介電體薄膜之膜厚依存性為周知。另一方面，如圖16A所示，繞射光柵上之介電體薄膜之特徵在於除週期性以外，亦包含相對於膜厚之增加之繞射效率之單調增加成分之特性。此見解係於處理頭戴式顯示器之周知技術中未揭示之點，且係發明人等發現之特性。
圖16C係將圖16A放大者。若根據本實施例之效果，將繞射效率成為1.2倍以上之條件設為由本實施例實現之效果顯著化之條件，則判定為介電體材料之膜厚只要為10 nm以上即可。惟，於本實施例中，亦周知如圖12所示，形成於繞射光柵上之介電體薄膜必須沿原始之繞射光柵之凹凸形狀形成，若膜厚超過凹凸圖案之高度(大致100 nm)之10倍(大致1000 nm)，則介電體薄膜表面之凹凸形狀逐漸消失而近於平坦，其依存於濺射法或真空蒸鍍法等成膜製程而決定。因而，表現出本實施例之效果之膜厚之上限為大致1000 nm。 [實施例3]
於實施例3中，探討對於入射繞射光柵101較佳之介電體薄膜。以下所說明之入射繞射光柵101為反射型繞射光柵，於該反射型繞射光柵上具備多層被覆層。多層被覆層藉由具有交替地形成第1介電體薄膜與第2介電體薄膜之週期構造，而可獲得優異之波長依存性。
圖17係每一導光板之顯示像之範圍之模擬結果。此處，如圖6所示般顯示由2片導光板100a(短波長用)、100b(長波長用)構成之導光板之情形。入射出射繞射光柵之節距於導光板100a(短波長用)中為360 nm，於導光板100b(長波長用)中為460 nm，顯示像之對角視野角為35度，縱橫比為16：9。如於圖17中顯示之畫面影像般，判定為各導光板之圖像之顯示範圍(以圖中之白色部分表示)不同。
於此構成中，若將顯示像之色一般而言設為R(紅)、G(綠)、B(藍)，則導光板100a有助於B像(藍色顯示像)與G像(綠色顯示像)之一部分之顯示，導光板100b有助於G像(綠色顯示像)之一部分與R像(紅色顯示像)之顯示。判定為較理想的是設置於圖6之導光板100a之入射繞射光柵101a將B波長(藍色波長)以較大之繞射效率反射繞射，將G波長(綠色波長)以較其小之繞射效率反射繞射，將R波長(紅色波長)大致透過。這意味著對繞射效率要求較強之波長依存性。
一般而言，作為此將短波長之光線反射、且將長波長之光線透過之光學元件，業已知悉二向分色膜，可以形成於透明基板上之介電體多層薄膜實現。然而，如圖16A所示，形成於表面凹凸繞射光柵上之介電體薄膜顯示與一般之光學薄膜不同之膜厚依存性。此處，顯示適於形成於入射繞射光柵上之介電體薄膜之條件。導光板100a(短波長用)之主要之性能指標為反射一次繞射效率及透過率。
圖18顯示本實施例之圖像顯示元件之另一構成。此處，圖像顯示元件10包含2片導光板100a、100b，各自形成入射繞射光柵101a、101b、出射繞射光柵102a、102b。入射繞射光柵101a、101b係直線狀或光柵狀之表面凹凸型繞射光柵。出射繞射光柵102a、102b各者之圖案週期與入射繞射光柵101a、101b相同。
於出射繞射光柵102a、102b之表面分別形成被覆層103a、103b。導光板100a、100b具有互不相同之圖案週期P1、P2，對應之波長範圍不同，於P1＜P2之情形下，導光板100a主要於彩色圖像之波長範圍中之短波長側之顯示上發揮功能，導光板100b主要於長波長側之顯示上發揮功能。於圖18中，與圖6之構成上之差異在於在入射繞射光柵101a、101b上，亦以介電膜形成被覆層104a、104b之點。
圖19係顯示反射型入射繞射光柵101之剖面形狀之示意圖。如圖9所示般，反射型入射繞射光柵適合於本實施例之導光板。此處，例示將剖面形狀設為高度5級之階梯狀之凹凸型繞射光柵。圖中，將凹凸形狀之高度最低之點設為z=0，x方向設為繞射光柵之週期方向。繞射光柵之節距為P，光線之波長為λ。
自紙面下側入射之入射光1901朝紙面右下方向經反射一次繞射，而成為繞射光1902。如圖中所示般，相隔節距P而入射之入射光1901於繞射方向分別具有1λ之光路差。由於該等繞射光之相位差全部為1λ(=2π)，故藉由相互增強而朝特定之方向(週期P對應於波長λ之方向)繞射。其為眾所周知之繞射之基本原理。為了考察對於本實施例之入射繞射光柵101較佳之介電被覆層，而將該基本原理於繞射光柵之高度z方向上擴展。
圖20係用於考察對於本實施例較佳之介電被覆層之示意圖。如上述般，對於繞射光1902，入射繞射光柵101之節距P對應於應選擇之波長λ而決定。圖中之虛線係將經高度調變之繞射光柵之形狀週期性地擴展者。於x方向偏移1週期P之點之高度相差H。此處，將H定義為入射繞射光柵101之週期高度。自虛線狀之形狀之假想繞射光柵亦同樣地產生相同之角度之繞射光，對於繞射光，繞射光柵之週期高度H對應於波長λ。
若將實際之繞射光柵之最大高度設為h，則於該例中，H=5h/4。對於本實施例之入射繞射光柵101較佳之介電被覆層至少使用折射率較高之材料(折射率n1、膜厚d1)與折射率較低之材料(折射率n2、膜厚d2)之2種，並將其交替地積層於繞射光柵上。此時，於較繞射光柵之表面更靠z方向上側，形成反映繞射光柵之表面凹凸形狀之介電層。對於本實施例較佳之條件為d1+d2≒H。此時，介電層沿圖20中之虛線形成邊界，自其等產生之繞射光1902之相位差可以2π相互增強。此係形成本實施例之入射繞射光柵上之介電被覆層之基本概念。
圖21係對繞射光柵之週期高度H與1週期之高度形狀之關係予以總結者。如此處所示般，於高度5、4、3、2級之階梯狀繞射光柵、及閃耀型繞射光柵、一般形狀之繞射光柵中，週期高度H被定義為圖中所示之值。於如圖中所示之等寬之階梯狀繞射光柵之情形下，若高度設為N級，最大高度設為h，則 H=(N/N-1)h。
於閃耀型繞射光柵中，如圖示般，將高度自主要之閃耀面之斜率擴展至1週期者為週期高度H。所謂之閃耀角為θB 。此時， H={(p1 +p2 )/p1 }h。
於一般形狀之繞射光柵中亦同樣，藉由根據平均斜率決定閃耀角θB ，而若將繞射光柵週期設為P，則 H=P•tanθB 。
圖22A係顯示本實施例之入射繞射光柵101之剖面形狀之模擬模式。顯示藉由射出成型法等，於塑膠基板上形成高度3級之繞射光柵而作為表面凹凸之情形。圖中之輔助線表示上文所示之高度方向之等相位線610，根據繞射光柵之週期性，藉由於圖中X方向朝右偏移一週期，而等相位線610與凹凸圖案之Z方向之距離如H、2H、3H般逐次等間隔地變大週期高度H。於本模式中，繞射光柵之高度h為100 nm，週期為360 nm。構成入射繞射光柵101之塑膠基板之折射率當將基板設為聚碳酸酯時為1.58，週期高度H為150 nm。圖中黑色部分為空氣層(Air)。
圖22B係顯示本實施例之入射繞射光柵101之剖面形狀之模擬模式。此處，顯示於入射繞射光柵101上，如221-1、222-1、221-2、222-2、221-3般依次交替地形成高折射率之第1介電膜221(折射率n1、厚度d1)與低折射率之第2介電膜222(折射率n2、厚度d2)，且積層5層之介電體薄膜之情形。此處，n1＞n2、d1+d2=H。根據該條件，藉由介電層而於z方向形成之繞射光柵群可於等相位面610a、610b、610c等上整列而形成。如前述般，自該等繞射光柵群產生之繞射光進行相位匹配，可獲得較大之繞射效率。於模擬中，作為第1介電膜221，選擇ZnS-SiO2 (20%)，且n1=2.33，d1=55 nm，作為第2介電膜222選擇SiO2 ，且n2=1.47，d2=95 nm。繞射光柵之節距對應於選擇之波長(此處為藍色光)而決定。
圖23A係作為參考，於高度3級之入射繞射光柵101上，將Al膜231積層100 nm之情形之模擬模式。
圖23B係作為參考，於閃耀型之入射繞射光柵101上，將Al膜231積層100 nm之情形之模擬模式。
圖24A係於圖22B所示之本實施例之高度3級之繞射光柵上形成5層之介電體薄膜之入射繞射光柵之反射一次繞射效率與透過率之模擬結果。此處，對相當於顯示像之中央之入射角0度之情形進行計算。如於圖觀察到般，反射一次繞射效率於B(藍、460 nm)波長帶至G(綠、530 nm)波長帶中較大，於R(紅，640 nm)波長帶中為零，最大係於B波長帶中成為約80%。又，若透過率於B波長帶中為20%左右，於R波長帶中為80%以上，則判定為可提供對於圖18中所說明之短波長用之導光板100a較佳之波長依存性。
圖24B係於圖23A所示之高度3級之繞射光柵上形成Al薄膜之入射繞射光柵之模擬結果。B波長帶之繞射效率為約50%，透過率於全波長域中大致為零。
圖24C係於圖23B所示之閃耀型繞射光柵上形成Al薄膜之入射繞射光柵之模擬結果。B波長帶之繞射效率為約50%，透過率於全波長域中大致為零。
如以上所述般，根據本實施例，判定為於積層有介電膜之入射繞射光柵中，可兼顧較形成Al反射膜之閃耀型繞射光柵更大之繞射效率、及於長波長帶中較大之透過率之兩者。其係適合作為導光板之入射繞射光柵之性能特性。
圖25係對於圖22B之介電體薄膜，總計厚度(d1+d2)偏移週期高度H之情形之模擬結果。此處，顯示使第2介電膜222之膜厚d2變化変化，並計算B波長帶之反射一次繞射效率之結果。軸為(d1+d2)/H，該值為1時為相位匹配之條件。如前述般，於入射繞射光柵形成Al反射膜之情形之繞射效率為約50%。若將獲得較其更大之繞射效率之條件定義為本實施例之效果顯著化之條件，則判定為(d1+d2)/H之範圍大致成為0.7～1.3之範圍。亦即，0.7H＜d1+d2＜1.3H。
如前述般，於本實施例之多層介電被覆層中，繞射光柵之週期高度H相當於光線之相位2π(360度)。因而，此處所示之條件範圍之相位差相當於±110，可謂即便對照波動之重合，亦成為合理的結果。
於上文中，說明了短波長用之導光板100a，但對於長波長用之導光板100b，亦可藉由對應於波長(例如紅色光)決定繞射光柵之節距，而獲得同樣之效果。
圖26係顯示將本實施例之介電體薄膜積層13層之情形之膜形狀之示意圖。如前述般，於藉由真空蒸鍍法或濺射法等，於塑膠形成之入射繞射光柵101上依次積層第1介電膜221與第2介電膜222之情形下，於由形成於塑膠基板之表面之凹凸圖案構成之繞射光柵中，於其側壁亦積層一定量之介電體材料。藉此，於紙面下側之層與紙面上側之層中，介電膜之形狀逐漸變化。因而，於本實施例之介電膜中，其總厚度有其上限。該上限之值相對於凹凸圖案之高度為10倍左右，如前述般為約1000 nm。又，由於關於膜厚之最小值，由於當將介電膜設為3層，週期高度H=5 nm，d1=2 nm、d2=3 nm時，成為7 nm，可與前述同樣地將約10 nm設為最小值。
圖27係顯示將被覆層104設置於入射繞射光柵101，且未設置於出射繞射光柵102之圖像顯示元件之例之圖。於入射繞射光柵101中可獲得介電膜之效果。 [實施例4]
圖28係以塑膠成型技術，將繞射光柵一體成型於圖1所示之導光板之兩面之方法之示意圖。奈米壓模法或蝕刻等先前使用之導光板之製作係基於半導體加工技術之表面加工技術。另一方面，射出成型法等塑膠成型技術由於係藉由將樹脂導入模具之內部並將其凝固而實現之立體成型技術，故容易於導光板之兩面形成繞射光柵。
圖中，以將應形成之繞射光柵之表面形狀予以凹凸反轉之形態，將於表面具有之壓模700固定於模具之固定部710。使用此模具，自樹脂流路730注入熔融之樹脂740，且藉由使模具可動部720朝圖中之右方向移動，而施加壓力，藉此可將樹脂740設為沿模腔750之形狀之形狀，且可經由冷卻過程製作所期望之導光板。本方法係一般性方法，可以塑膠製造製作以凹凸形狀形成繞射光柵之導光板。 [實施例5]
圖29係顯示本實施例之圖像顯示裝置之構成之示意圖。 於該圖像顯示裝置中，使用塑膠作為導光板100之材料。如圖9所說明般，由於在繞射效率較高之入射繞射光柵中，不易製作縱橫比較高之圖案，故使用能夠降低縱橫比之反射型繞射光柵，而作為入射繞射光柵101。反射型入射繞射光柵由於將光朝導光板100內部反射，故入射繞射光柵101配置於導光板100之映像光線之入射面(第1面)之相反側之面(第2面)。
於使用複數片導光板100之情形下，如圖10A、圖10B所說明般，為了減小視認到之像素位置之偏移，而如圖29般，較理想為光朝與光線之入射面(第1面)為相反側(第2面)射出之透過型光學構成。
如前文所述般，作為導光板100，由於藉由使用者視認到一次反射繞射佔支配性之光之構成，而可以較低之縱橫比提高視認亮度，故於重視繞射效率之情形下，出射繞射光柵可以一次反射繞射光朝第2面射出之方式配置於第1面。然而，由於在基板之兩面製作繞射光柵之製程較繁雜，故於本實施例中採用出射繞射光柵102亦製作於相同之面(第2面)，將一次透過繞射光朝第2面射出之構成。
此情形下，由於在視認亮度之點上實為不利，故重要的是用於提高亮度之構成。於本實施例中，藉由於繞射光柵形成介電膜，而使繞射效率提高。作為具體的構成，若於入射繞射光柵101與出射繞射光柵102之至少一者存在膜，則可期待最終提高亮度。於本實施例中，與圖6同樣地於出射繞射光柵102形成被覆層103。又，亦可如圖27般，於入射繞射光柵101形成被覆層104。或，亦可如圖18般，於入射繞射光柵101與出射繞射光柵102之兩者形成被覆層103、104。於以上之圖像顯示元件之構成中，必須於入射繞射光柵中提高反射繞射效率，於出射繞射光柵中提高透過繞射效率。
作為入射繞射光柵101之構成例，圖22B所說明之多層介電膜於波長選擇性上優異，而實屬有效。又，作為出射繞射光柵102之構成例，圖3所示之光柵狀之繞射光柵可以低縱橫比獲得較高之繞射效率。
不過，圖像顯示元件之構成並不限定於上文，入射繞射光柵與出射繞射光柵之構成亦可考量各種形態。此情形下，亦可相應於入射繞射光柵與出射繞射光柵各者所需之反射繞射效率與透過繞射效率，藉由控制形成之膜之特性，而使繞射效率提高，且使亮度提高。
自圖中之投影機300出射之具有圖像資訊之光藉由導光板100a、100b之作用而到達使用者之瞳孔400，而實現擴增實境。於各導光板100a、100b中，所形成之繞射光柵之節距與深度係相應於各色而被最佳化者。
圖中，本實施例之圖像顯示裝置包含圖像顯示元件10、投影機300、及顯示圖像控制部2901。又，作為圖像形成之方法，可使用例如下述之眾所周知之圖像形成裝置，即：由反射型或透過型空間光調變器、光源及透鏡構成之圖像形成裝置、由有機及無機EL(Electro Luminescence，電致發光)元件陣列與透鏡形成之圖像形成裝置、由發光二極體陣列及透鏡形成之圖像形成裝置、及組合有光源、半導體MEMS反射鏡陣列及透鏡之圖像形成裝置等。
又，亦可使用使LED或雷射光源與光纖之前端藉由MEMS技術或PZT等進行共振運動者。其等之中，最一般的是由反射型或透過型空間光調變器、光源及透鏡構成之圖像形成裝置。此處，作為空間光調變裝置，可舉出LCOS(Liquid Crystal On Silicon，矽上液晶)等透過型或反射型液晶顯示裝置、數位微鏡裝置(DMD)，作為光源，可將白色光源進行RGB分離而使用，亦可使用各色對應之LED或雷射。
進而，反射型空間光調變裝置可採用包含下述部分之構成，即：液晶顯示裝置；及偏光分束器，其將來自光源之光之一部分反射並向液晶顯示裝置導引，且使由液晶顯示裝置反射之光之一部分通過並向使用透鏡之準直光學系統導引。作為構成光源之發光元件，可舉出：紅色發光元件、綠色發光元件、藍色發光元件、白色發光元件。像素之數目只要基於對圖像顯示裝置要求之規格決定即可，作為像素之數目之具體之值，除上文所示之1280x720以外，還可例示320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080。
於本實施例之圖像顯示裝置中，以自投影機300出射之包含映像資訊之光線朝導光板100a、100b之各入射繞射光柵照射之方式定位，且與圖像顯示元件10一體化地形成。
又，未圖示之顯示圖像控制部控制投影機300之動作，發揮對使用者之瞳孔400適宜地提供圖像資訊之功能。
於以上所說明之實施例中，於具有表面凹凸型繞射光柵之導光板(圖像顯示元件)中，藉由例如使用網目型繞射光柵，而作為出射繞射光柵，且藉由射出成型法等與波導以相同折射率之材料一體成型，而可實現導光板之塑膠化，可實現安全且輕量之導光板。亦即，藉由使用網目型繞射光柵，而可以射出成型法製作以縱橫比為1以下之表面凹凸而具有良好性能之導光板，可實現由導光板之塑膠化實現之安全性提高及輕量化。
於本實施例中，顯示了對使用者提供圖像資訊之情形，但本實施例之圖像顯示裝置除此以外還可具備用於取得使用者或外界之資訊之觸控感測器，溫度感測器、加速度感測器等各種感測器、或用於計測使用者之眼睛之移動之眼追蹤機構。
10:圖像顯示元件 100,100a,100b:導光板(基板) 101,101a,101b:入射繞射光柵 102,102a,102b:出射繞射光柵 103,103a,103b,104a,104b:被覆層 221,221-1,221-2,221-3:第1介電膜 222,222-1,222-2:第2介電膜 231:Al膜 300:投影機 301,302,304:光線 303:出射圓 400:使用者之瞳孔 500:映像光線 610:等相位線 610a,610b,610c:等相位面 700:壓模 710:模具之固定部 720:模具可動部 730:樹脂流路 740:樹脂 750:模腔 1000:映像光線 1200:空氣層 1901:入射光 1902:繞射光 2901:顯示圖像控制部 d1,d2:膜厚 H:入射繞射光柵之凹凸圖案之週期高度/入射繞射光柵之週期高度 h:實際之繞射光柵之最大高度 K1:波數向量/波數/基本波 K1 ,K2 ,K3 :波數向量 K2:基本波/波數 P:光柵節距/週期/繞射光柵週期 Sub:基板 X,x,y:方向 Y:軸/方向 z:方向 θB :閃耀角 λ:光線之波長
圖1A係顯示實施例之導光板之示意剖視圖。 圖1B係顯示實施例之導光板之示意剖視圖。 圖2(a)～(c)係顯示出射繞射光柵之相位函數之例之示意圖。 圖3係實施例之網目型繞射光柵之立體圖。 圖4係顯示成為模擬之基本之出射圓之定義的概念圖。 圖5(a)、(b)係顯示於導光板內部傳播之光線之強度分佈之模擬結果的示意圖。 圖6係顯示實施例之圖像顯示元件之構成之示意剖視圖。 圖7係顯示導光板之繞射光柵與波數向量之關係之示意俯視圖。 圖8(a)、(b)係顯示投影像之模擬結果之示意圖。 圖9(a)、(b)係顯示入射繞射光柵之繞射光線之模擬結果之示意圖。 圖10A係顯示入射光與出射光成為導光板之相同之側之圖像顯示元件例之示意圖。 圖10B係入射光與出射光成為導光板之相反側之圖像顯示元件例之示意圖。 圖11(a)、(b)係顯示介電體薄膜之膜厚與繞射效率及透過率之模擬結果之描繪圖。 圖12係實施例之出射繞射光柵之模擬模式之示意圖。 圖13係使用者之視認像之示意圖。 圖14A係使用者之視認像之模擬結果之描繪圖。 圖14B係使用者之視認像之模擬結果之描繪圖。 圖14C係使用者之視認像之模擬結果之描繪圖。 圖15A係顯示介電體材料之折射率之範圍之描繪圖。 圖15B係顯示介電體材料之折射率之範圍之放大描繪圖。 圖16A係顯示出射繞射光柵對於介電膜厚之特性之描繪圖。 圖16B係顯示出射繞射光柵對於介電膜厚之特性之描繪圖。 圖16C係顯示出射繞射光柵對於介電膜厚之特性之放大描繪圖。 圖17係顯示實施例之導光板之RGB顯示像之模擬結果的表圖。 圖18係顯示實施例之圖像顯示元件之構成之示意剖視圖。 圖19係顯示入射繞射光柵與繞射光之關係之示意圖。 圖20係顯示入射繞射光柵與繞射光之關係之示意圖。 圖21係顯示入射繞射光柵之剖面形狀與週期高度之關係之表圖。 圖22A係顯示入射繞射光柵之模擬模式之示意圖。 圖22B係顯示入射繞射光柵之模擬模式之示意圖。 圖23A係顯示入射繞射光柵之模擬模式之示意圖。 圖23B係顯示入射繞射光柵之模擬模式之示意圖。 圖24A係顯示入射繞射光柵之性能之波長依存性之描繪圖。 圖24B係顯示入射繞射光柵之性能之波長依存性之描繪圖。 圖24C係顯示入射繞射光柵之性能之波長依存性之描繪圖。 圖25係顯示形成於入射繞射光柵上之介電被覆層之厚度與週期高度之關係之描繪圖。 圖26係顯示將實施例之介電體薄膜積層13層之情形之膜形狀之示意剖視圖。 圖27係顯示圖像顯示元件之另一例之示意圖。 圖28係顯示實施例之導光板之形成方法之示意剖視圖。 圖29係顯示實施例之圖像顯示裝置之構成之示意圖。
10:圖像顯示元件
100a,100b:導光板(基板)
101a,101b:入射繞射光柵
102a,102b:出射繞射光柵
103a,103b:被覆層
300:投影機
400:使用者之瞳孔
500:映像光線

Claims (8)

  1. 一種圖像顯示元件，其特徵在於具備：塑膠基板；入射繞射光柵，其一體形成於前述塑膠基板表面，而將入射之映像光繞射；出射繞射光柵，其一體形成於前述塑膠基板表面，而出射前述映像光；及多層被覆層，其等當將前述入射繞射光柵之凹凸圖案之週期高度設為H時，膜厚d1之第1介電體材料與膜厚d2之第2介電體材料交替地積層N(N為自然數)週期，d1+d2大致等於H，且(d1+d2)×N為1000nm以下；上述多層被覆層係設置於前述出射繞射光柵上。
  2. 如請求項1之圖像顯示元件，其中當將前述第1介電體材料之折射率設為n1，厚度設為d1，將前述第2介電體材料之折射率設為n2，厚度設為d2時，n1>n2，且0.7H<d1+d2<1.3H；且前述H，於前述入射繞射光柵為階梯狀繞射光柵，且其高度為N級，最大高度為h之情形下，H=(N/N-1)h；於前述入射繞射光柵為閃耀型繞射光柵，且其閃耀角為θB，繞射光柵週期為p之情形下， H=p‧tanθB；於前述入射繞射光柵為一般形狀之繞射光柵，且根據其平均斜率獲得之閃耀角為θ，繞射光柵週期為P之情形下，H=P‧tanθ。
  3. 如請求項1之圖像顯示元件，其中前述多層被覆層係具備積層膜，前述積層膜係當將前述入射繞射光柵之凹凸圖案之週期高度設為H時，膜厚d1之第1介電體材料與膜厚d2之第2介電體材料交替地積層N(N為自然數)週期，d1+d2大致等於H，且(d1+d2)×N為1000nm以下；前述積層膜之離前述塑膠基板較遠側之表面，反映出前述凹凸圖案之形狀。
  4. 一種圖像顯示裝置，其特徵在於具備：光源即投影機，其用於形成映像光；塑膠基板；入射繞射光柵，其一體形成於前述塑膠基板表面，而將入射之映像光繞射；出射繞射光柵，其一體形成於前述塑膠基板表面，而出射前述映像光；及被覆層，其形成於前述出射繞射光柵上，為10nm以上1000nm以下，折射率為1.4以上2.42以下；且構成為前述被覆層係當將前述入射繞射光柵之凹凸圖案之週期高度設為H時，膜厚d1之第1介電體材料與膜厚d2之第2介電體材料交替地積層N(N為 自然數)週期，d1+d2大致等於H，且(d1+d2)×N為1000nm以下；前述入射繞射光柵與前述出射繞射光柵形成於前述塑膠基板之第1面；前述投影機設置於與前述第1面為相反側之第2面側；可自前述塑膠基板之前述第1面側視認到映像光。
  5. 如請求項4之圖像顯示裝置，其中將前述被覆層之膜厚設為70nm以上。
  6. 如請求項4之圖像顯示裝置，其中將前述被覆層之膜厚設為25nm以上、未達35nm。
  7. 如請求項4之圖像顯示裝置，其中當將前述第1介電體薄膜之折射率設為n1，厚度設為d1，將前述第2介電體薄膜之折射率設為n2，厚度設為d2時，n1>n2，且0.7H<d1+d2<1.3H；且前述H，於前述入射繞射光柵為階梯狀繞射光柵，且其高度為N級，最大高度為h之情形下，H=(N/N-1)h；於前述入射繞射光柵為閃耀型繞射光柵，且其閃耀角為θB，繞射光柵週期為p之情形下，H=p‧tanθB；於前述入射繞射光柵為一般形狀之繞射光柵，且根據其平均斜率獲 得之閃耀角為θ，繞射光柵週期為P之情形下，H=P‧tanθ。
  8. 如請求項4之圖像顯示裝置，其中前述多層被覆層係具備積層膜，前述積層膜係當將前述入射繞射光柵之凹凸圖案之週期高度設為H時，膜厚d1之第1介電體材料與膜厚d2之第2介電體材料交替地積層N(N為自然數)週期，d1+d2大致等於H，且(d1+d2)×N為1000nm以下；前述積層膜之離前述塑膠基板較遠側之表面，反映出前述凹凸圖案之形狀。
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