WO2020008949A1 - 導光板、導光板モジュール、画像表示装置および導光板の製造方法 - Google Patents

導光板、導光板モジュール、画像表示装置および導光板の製造方法 Download PDF

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WO2020008949A1
WO2020008949A1 PCT/JP2019/025132 JP2019025132W WO2020008949A1 WO 2020008949 A1 WO2020008949 A1 WO 2020008949A1 JP 2019025132 W JP2019025132 W JP 2019025132W WO 2020008949 A1 WO2020008949 A1 WO 2020008949A1
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guide plate
light guide
diffraction grating
pattern
diffraction
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峯邑　浩行
安齋　由美子
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株式会社日立エルジーデータストレージ
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    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G02B27/4277—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path being separated by an air space
    • G—PHYSICS
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    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division

Definitions

  • the present invention relates to a small and lightweight image display device and device capable of displaying augmented reality by combining a light guide plate and a diffraction element.
  • a user can simultaneously see the surroundings as well as the projected image.
  • the projected image may overlap the real world perceived by the user.
  • Other uses for these displays include video games and wearable devices such as glasses.
  • the user can visually recognize an image supplied from the projector in the real world by wearing glasses or a goggle-shaped image display device in which the translucent light guide plate and the projector are integrated.
  • the light guide plate is composed of a plurality of uneven diffraction gratings formed on a glass substrate.
  • Light emitted from the projector is coupled to the light guide plate by the incident diffraction grating, and propagates inside the light guide plate while being totally reflected.
  • the light beam is totally reflected and propagated in the light guide plate while being converted into a plurality of light beams duplicated by another diffraction grating, and finally emitted from the light guide plate.
  • a part of the emitted light beam is imaged on the retina via the user's pupil, and is recognized as an augmented reality image overlapping the image of the real world.
  • the wave vector K of the light beam emitted from the projector is refracted into the light guide plate and the wave vector becomes K0 according to Snell's law. Further, the light is converted into a wave vector K1 capable of total internal reflection propagation inside the light guide plate by the diffraction grating for incidence.
  • the diffracted light is affected by one or more other diffraction gratings provided on the light guide plate, and the wave number vector changes each time the diffraction is repeated as indicated by K2, K3,.
  • the function of the light guide plate is to guide the light emitted from the projector while replicating the light into a plurality of light beams, so that the emitted light beams are recognized by the user as image information equivalent to the original image.
  • the magnitude of the wave number vector varies depending on the wavelength of the light beam. Since the concavo-convex type diffraction grating has a constant wave vector, the diffracted wave vector K1 differs depending on the wavelength of the incident light beam, and propagates in the light guide plate at different angles.
  • the refractive index of the glass substrate constituting the light guide plate is substantially constant with respect to the wavelength, and the range of conditions for guiding light while performing total reflection differs depending on the wavelength of the incident light beam.
  • the number of light guide plates is optimally corresponding to each of R, G, and B, or about plus or minus one.
  • the image display device described in Patent Document 1 is an image display device for expanding input light in two dimensions, and includes three linear diffraction gratings. One is a diffraction grating for incidence, and the other two diffraction gratings are typically arranged on the front and back surfaces of the light guide plate so as to overlap each other, and perform the functions of a diffraction grating for duplication and an emission.
  • Patent Document 3 discloses an overhanging triangular diffraction grating to increase the diffraction efficiency of the incident diffraction grating.
  • Patent Document 4 and “Patent Document 5” disclose a technique using two reflective volume holograms, one for incidence and one for exit, as a diffraction grating formed on a light guide plate.
  • the volume hologram is a hologram in which diffraction gratings corresponding to a plurality of wavelengths are formed in a multiplex manner in a space, and is different from the uneven diffraction gratings of “Patent Document 1” to “Patent Document 3”. Diffracts light rays of a wavelength at the same angle. Therefore, the user can recognize the RGB image with one light guide plate.
  • Patent Document 1 discloses a technique for using a glass material as described in paragraph 0038 and the like regarding a substrate material for a light guide plate.
  • FIGS. 5B to 5C of “Patent Document 2” show an overhanging triangular diffraction grating suitable for an incident diffraction grating.
  • Patent Document 3 discloses a technique using a glass substrate as described on page 8 of the substrate.
  • FIG. 1 of Patent Document 3 shows the configuration of a light guide plate.
  • the light guide plate disclosed in these techniques uses a glass substrate, and the diffraction grating is formed by a “fine processing process” such as etching or lithography widely used in semiconductor processing.
  • a “fine processing process” such as etching or lithography widely used in semiconductor processing.
  • an irregular shape can be formed on the surface of the glass substrate by cutting using plasma particles such as Ga in a vacuum device.
  • the light guide plate formed by the etching process of the glass substrate includes a vacuum process and the like, there is a limit in reducing the manufacturing cost. Further, as seen in recent examples of eyeglasses, since glass materials are heavy, plastic lenses have become mainstream for users to wear comfortably.
  • the problem of the prior art is the cost and weight reduction by using a light guide plate made of glass.
  • One preferred aspect of the present invention is a light guide plate including a first member made of a first resin and a second member made of a second resin formed on at least a part of the first member. is there.
  • the first resin and the second resin are different resins
  • a first member is provided with a first diffraction grating composed of a first pattern
  • a second member is provided with a second diffraction grating.
  • a second diffraction grating comprising the pattern is formed.
  • the first pattern and the second pattern are different patterns.
  • Another preferred aspect of the present invention includes a plurality of the light guide plates described above, each of the plurality of light guide plates having a first pattern different from each other corresponding to a predetermined wavelength, and stacking the plurality of light guide plates. It is the formed light guide plate module.
  • Another preferred aspect of the present invention is an image display device including the light guide plate described above and a projector that projects an image, wherein the light emitted from the projector is arranged to irradiate the second pattern. .
  • Another preferred aspect of the present invention is a first step of preparing a substrate made of polycarbonate or acrylic resin and having a first diffraction grating pattern on the surface, and a step of photo-curing on the first diffraction grating pattern.
  • a light guide plate comprising: a second step of disposing a resin; a third step of transferring a second diffraction grating pattern to the photocurable resin; and a fourth step of curing the photocurable resin. Is a manufacturing method.
  • FIG. 4 is a schematic side view showing the definition of the shape parameter of the diffraction grating.
  • FIG. 4 is a schematic side view showing the definition of the shape parameter of the diffraction grating.
  • 5 is a flowchart showing a method for manufacturing the light guide plate of the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example.
  • FIG. 9 is a graph showing evaluation results of a prototype element. Beam pattern image of evaluation result of prototype element.
  • FIG. 6 is a graph showing a comparison result between a measurement result of the first-order diffraction efficiency and a diffraction model.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a pitch of a diffraction grating and a pixel ratio.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a pitch of a diffraction grating and a pixel ratio.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a pitch of a diffraction grating and a pixel ratio.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a pitch of a diffraction grating and a pixel ratio.
  • FIG. 9 is a graph showing another simulation result showing the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio.
  • FIG. 9 is a graph showing another simulation result showing the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio.
  • FIG. 9 is a graph showing another simulation result showing the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio.
  • FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result indicating a pixel ratio in a case where a viewing angle is 25 degrees.
  • FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result indicating a pixel ratio in a case where a viewing angle is 25 degrees.
  • FIG. 11 is a table showing the results of a summary of suitability for utilizing the optical disk mass production process technology for the light guide plate of the embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the height of an output diffraction grating and diffraction efficiency obtained by electromagnetic field calculation.
  • FIG. 7 is a graph showing the result of calculating the relationship between the diffraction efficiency of an output diffraction grating and the brightness of a projected image.
  • FIG. 9 is a graph showing the result of calculating the relationship between the diffraction efficiency of an output diffraction grating and the image quality of a projected image.
  • FIG. 4 is a schematic side view showing the entire process of forming the light guide plate of the embodiment utilizing the mass production process of the optical disc.
  • FIG. 3 is a schematic side view showing a process of producing the incident diffraction grating of the embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a calculation result image of an image projected on the retina when the diameter of an incident beam is 4 mm ⁇ .
  • FIG. 9 is a graph showing calculation results summarizing RMS values of luminance when the diameter of an incident beam is 4 mm ⁇ .
  • FIG. 9 is a graph of a calculation result summarizing the maximum value of luminance when the diameter of an incident beam is 4 mm ⁇ .
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a calculation result image of an image projected on the retina when the diameter of an incident beam is 1 mm ⁇ .
  • FIG. 7 is a graph showing calculation results summarizing RMS values of luminance when the diameter of an incident beam is 1 mm ⁇ .
  • FIG. 7 is a graph of a calculation result summarizing the maximum value of luminance when the diameter of an incident beam is 1 mm ⁇ .
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a thickness of a light guide plate and a distance between points where light beams and an output diffraction grating intersect.
  • FIG. 9 is a graph of a calculation result showing a relationship between the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating at which the luminance becomes maximum and the luminance unevenness becomes minimum. Sectional drawing which shows the structure of the light-guide plate of an Example.
  • FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result of a transmission type incident diffraction grating.
  • FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result of a transmission type incident diffraction grating.
  • FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result of a reflection type incident diffraction grating.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a method for reducing uneven brightness of a projected image according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a method for reducing uneven brightness of a projected image according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a graph illustrating a method for reducing luminance unevenness.
  • Notations such as “first”, “second”, and “third” in this specification and the like are used to identify constituent elements, and necessarily limit the number, order, or content thereof. is not. Also, numbers for identifying components are used for each context, and numbers used in one context do not necessarily indicate the same configuration in another context. Also, this does not prevent a component identified by a certain number from having the function of a component identified by another number.
  • the following embodiment discloses a technology that enables the light guide plate to be made plastic. Further, as described above, the light guide plate is provided with a diffraction grating for incidence and other diffraction gratings. In the present specification, the description will be made below by unifying the former as an incident diffraction grating and the latter as an output diffraction grating.
  • plastic materials represented by polycarbonate are used as substrates.
  • irregularities having a pitch of about 320 nm (25 GB capacity BD) to about 740 nm (4.7 GB capacity DVD) and a depth of about 50 to 100 nm are formed as light spot guide grooves.
  • Substrates are mass-produced by an injection molding method that does not include a vacuum process, and are supplied at low cost.
  • the expression “A to B” is used in the meaning of “A or more and B or less”.
  • resin means a material made of a polymer compound, and is a concept that does not include glass but includes resin, polycarbonate, acrylic resin, and photocurable resin.
  • the pitch of the diffraction grating is common to the incident diffraction grating and the output diffraction grating, and is 200 to 700 nm, preferably 300 to 600 nm.
  • the depth of the diffraction grating it is necessary to consider that the preferred diffraction efficiency differs between the incident diffraction grating and the output diffraction grating. Generally, there is a relationship that the diffraction efficiency of a diffraction grating increases as the depth increases.
  • the incident diffraction grating desirably has a first-order diffraction efficiency of 10% to 80%, preferably 30% to 70% in order to efficiently couple the incident light beam to the light guide plate.
  • the output diffraction grating has a first-order diffraction efficiency of 0.1% to 10%, preferably 0.5% to 5.0% in order to replicate light rays and emit light from the light guide plate over a wide area. It is desirable to have
  • the depth of the incident diffraction grating is 50 to 500 nm, preferably 100 to 400 nm, depending on the appropriate value of the diffraction efficiency.
  • the depth of the output diffraction grating is desirably 10 to 200 nm, preferably 20 to 100 nm.
  • the pitch and depth required for the output diffraction grating are approximately equal to the pitch and depth of an optical disk provided at low cost by using an injection molding method. Therefore, it can be seen that by utilizing the manufacturing technology of the optical disk, it is possible to form the outgoing diffraction grating on the plastic substrate as an uneven diffraction grating at low cost.
  • optimization of the incident diffraction grating and the output diffraction grating can be realized by setting at least one of their shape, aspect, height, duty, and patterning area to be appropriate for each grating.
  • the first recording layer is formed by using the plastic substrate formed by the above-described injection molding, and the second recording layer is formed thereon by a pattern transfer technique using a UV resin by a 2P (Photo-Polymarization) method. ing.
  • the 2P method can form a diffraction grating having a greater depth than the injection molding method. As will be described later, it has been found from the investigations of the inventors that a diffraction grating having a depth of 0.3 ⁇ m, which is a suitable condition for the incident diffraction grating, can be favorably formed by the 2P method.
  • the area of the diffraction grating of the light guide plate will be described.
  • the area of the incident diffraction grating is smaller than the area of the output diffraction grating, and the area of the incident diffraction grating ⁇ ⁇ This is an output diffraction grating.
  • the light guide plate By forming the light guide plate by the following steps, it is possible to provide a light guide plate that realizes low cost by utilizing the manufacturing technology of the optical disc and lighter weight by using plastic.
  • a plastic substrate having a large-area output diffraction grating is created by injection molding.
  • An incident diffraction grating is formed in a part of the area above the diffraction grating by the 2P method.
  • One or more of these are incorporated in a frame to form a light guide plate.
  • a light guide plate having a concave-convex type diffraction grating as an example of the light guide plate will be described in further detail.
  • definitions of the shape parameters of the diffraction grating will be summarized to facilitate understanding of the following embodiments.
  • FIG. 1A shows the definition of the shape parameters of the incident diffraction grating
  • FIG. 1B shows the definition of the shape parameters of the output diffraction grating.
  • the input diffraction grating is defined by a pitch P, height H, and the blaze angle theta B.
  • the example shown here shows a typical shape as an incident diffraction grating and an outgoing diffraction grating. In this embodiment, a sinusoidal diffraction grating or the like can be used in addition to these.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a process of manufacturing the image display device (light guide plate) according to the first embodiment of the present invention.
  • 3A to 3E are diagrams schematically showing each stage of the production process. With reference to FIG. 2 and FIGS. 3A to 3E, a description will be given of a manufacturing process of the embodiment.
  • a master block 301 for the incident diffraction grating and a master block 302 for the output diffraction grating are prepared by an EB drawing method or the like (S101, FIG. 3A).
  • the matrix 302 for the output diffraction grating is transferred to a Ni stamper so as to be compatible with the injection molding process.
  • a substrate 304 having an emission diffraction grating 303 formed on its surface using a plastic material by an injection molding method using the emission diffraction grating master 302 (S102, FIG. 3B).
  • a plastic material forming the substrate 304 a widely used polycarbonate is preferable, but an acrylic resin such as polymethyl methacrylate resin (PMMA) and other transparent resin materials can also be used.
  • FIG. 3B also shows an example of the arrangement of the formed output diffraction grating 303 on the DVD-RAM disk 305 used as the substrate.
  • an anti-reflection coating 306 for improving the visibility of the external world is formed on the surface of the substrate 304 opposite to the diffraction grating by a sputtering method or the like (S103, FIG. 3C).
  • the incident diffraction grating 307 is formed on a part of the substrate 304 formed by injection molding by the 2P method using the matrix 301 for the incident diffraction grating (S104, FIG. 3D).
  • An incident diffraction grating is formed of UV resin on the substrate 304, and the thickness of the UV resin is about 2 to 10 ⁇ m.
  • FIG. 3D shows a side view and a top view together.
  • the incident diffraction grating 307 is formed so as to overlap the output diffraction grating 303.
  • a nanoimprint method using a dry sheet as a stamper may be used.
  • a reflective coating 308 is formed on the incident diffraction grating 307 by a mask sputtering method or the like (S105, FIG. 3E).
  • the inexpensive and light measuring plate 300 made of plastic can be formed.
  • FIG. 4 shows a photograph of the appearance of regions A, B, and C of a prototype device on a DVD-RAM disk.
  • the concavo-convex pattern of the DVD-RAM disk corresponds to the output diffraction grating
  • the prototype device corresponds to the incident diffraction grating.
  • a pattern is transferred by a 2P method using a commercially available blazed diffraction grating as a master on a polycarbonate substrate having a periodic uneven pattern on the surface formed by injection molding, and a reflective coating is formed by a mask sputtering method. did.
  • the selected blazed diffraction grating had a pitch of 833 nm, and the height of the triangular concavo-convex pattern measured by AFM (Atomic Force Microscope) was 374 nm.
  • AFM Anatomic Force Microscope
  • a DVD-RAM substrate 401 having a diameter of 80 mm formed by an injection molding method was selected.
  • the concavo-convex pattern formed as a light spot guide groove on the DVD-RAM substrate 401 acts as a rectangular diffraction grating.
  • the pitch of the diffraction grating is 1230 nm, and the pattern height is about 70 nm.
  • the three element regions A, B, and C in the figure are rectangles each having a side of 12.7 mm, and (1) a region A where only the 2P resin of the grating is formed, (2) a region B where only the reflection coating is formed, and And (3) a waveguide check region C in which a reflective coating is formed on the 2P resin of the grating.
  • the 2P resin of the grating corresponds to the incident diffraction grating 307 described with reference to FIG. 3D.
  • the reflective coating is a five-layer optical filter prepared to increase the diffraction efficiency with respect to the red laser (wavelength 635 nm) used for the evaluation.
  • the film configuration is selected from dielectric materials widely used as optical films for optical discs, polycarbonate substrate (refractive index 1.58, film thickness 600 ⁇ m (the same applies hereinafter)) / ZnS-SiO 2 (2.33, 88 nm) / SiO 2 (1.47, 80nm) / ZnS-SiO 2 ( 2.33,88nm) / was SiO 2 (1.47,80nm) / ZnS- SiO 2 (2.33,88nm).
  • FIGS. 5A and 5B show diffraction patterns when laser light is vertically incident on the DVD-RAM substrate 401 described with reference to FIG.
  • FIG. 5A shows a pattern in a region where the 2P resin of the grating is not formed.
  • FIG. 5B is a pattern in a region where the 2P resin of the grating is formed.
  • a diffraction pattern of the DVD-RAM appears in a region where no grating serving as an incident diffraction grating is formed.
  • the diffraction pattern of the DVD-RAM disappears and the diffraction pattern of the incident diffraction grating appears in the region A where the incident diffraction grating is formed by the 2P method, as shown in FIG. 5B.
  • the image display element of the present embodiment can overwrite the diffraction grating pattern.
  • FIG. 6 is a result showing the wavelength (horizontal axis) dependency of the reflectance and the transmittance (vertical axis) of the reflective coating.
  • This is an evaluation of the area B where the optical thin film is laminated only in a part of the area by the mask sputtering method.
  • the design values indicated by the dotted line and the measured values indicated by the solid line are in good agreement, and the formation of the wavelength-dependent reflective film is achieved by coating the optical waveguide with a thin optical film on a plastic light guide plate. It has been shown that it is possible.
  • the duplicate beams are emitted at regular intervals with respect to the incident beam. This is because the laser beam is diffracted by the incident diffraction grating, propagates through the light guide plate in total reflection, and the beam hits the incident diffraction grating twice, three times, four times, and is duplicated. In a state in which the wave number is kept. This is a result indicating that the basic function of the light guide plate, which is one-dimensional, that is, propagation, duplication, and emission of the incident beam is achieved. Note that the range of the region C is indicated by a dotted line as an element size. From the above, it was shown that the image display device of the present embodiment satisfies the basic function as a light guide plate for virtual reality.
  • the Monte Carlo ray tracing method based on ray tracing [I. Powell “Ray Tracing through sysytems containing holographic optical elements", Appl. Opt. 31, 31, pp. 2259-2264 (1992)] separates paths by diffraction and reflection. Is a method of preventing exponential increase in the amount of computation by treating stochastically, and is suitable for simulation of a light guide plate that repeats diffraction and total reflection propagation. Although Monte Carlo ray tracing can faithfully reproduce reflection and refraction, it is necessary to develop a suitable model for diffraction.
  • a diffraction model that supports the wavelength range (approximately 400-700 nm) covering the entire visible light range and the incident angle range corresponding to the viewing angle of 40 ° of the projected image is essential.
  • the diffraction model used in the present embodiment will be described.
  • the optical axis is in the z direction
  • the light guide plate has a normal vector in the z direction, and at least a diffraction grating is formed on the front or back surface.
  • the projector optical system and the pupil are located on opposite sides of the light guide plate.
  • the light emitted from the light guide plate may be subjected to an inversion operation using an xy plane mirror.
  • the information of the projected image is composed of intensity, wavelength, and pixel information, and the wavelength and pixel information are determined by the angle information of the light beam, that is, the wave number vector by the lens action of the eye.
  • the light guide plate is required to have the following operation (Equation (1)).
  • the diffraction of a light ray is represented by adding the inner product of the diffraction order and the wave number vector of the diffraction grating to the wave number vector of the light ray.
  • mn is the diffraction order
  • Kn is the wave vector of the diffraction grating at the n-th intersection.
  • Equation (3) Equation (3)
  • the subscripts of x, y, and z represent the x, y, and z components of each wave number vector.
  • the wave vector becomes an imaginary number, which indicates that no diffracted light beam is generated under the specified conditions.
  • the diffraction efficiency taking into account the presence or absence of the diffracted light and the incident angle dependence, assuming that the incident angle in the plane where the wave vector K n of the diffraction grating and the z axis extend is ⁇ n.
  • eta 0 mn is the n-th intersection diffraction efficiency at normal incidence diffraction order m n of.
  • the second term on the right side of equation (10) corresponds to the presence or absence of generation of a diffracted light beam, the third term corresponds to the law of conservation of energy, and the fourth term corresponds to the incident angle dependence with ⁇ as a constant.
  • the relationship between the angle of incidence and the diffraction efficiency at a wavelength of 532 nm was measured using a commercial element # 47-551 with a density of 1,800 lines / mm manufactured by Edmund II as the same blazed diffraction grating as the incident diffraction grating.
  • Fig. 8 shows the measurement results of the first-order diffraction efficiency and the comparison results of the diffraction model based on the equation (10). From the experimental results 801 indicated by black circles, the range of the incident angle at which both the positive and negative first-order diffracted lights are generated was ⁇ 3 °. As shown in the figure, the + 1st-order diffracted light is generated at an incident angle of ⁇ 3 ° or more, coexists with the ⁇ 1st-order diffracted light up to + 3 °, and disappears at + 3 ° or more.
  • the conventional model 802 in the figure shows the diffraction model of the equation (11).
  • G 550 nm
  • B 460 nm
  • the wavelength spread of the light source is 20 nm common to each color
  • the aspect ratio of the projected image is 16: 9
  • the number of pixels is 1280 ⁇ 720
  • the beam incident on the light guide plate is
  • the diameter is 4 mm
  • the diameter of the pupil of the eye is 2 mm
  • the distance between the eye and the light guide plate is 17 mm.
  • the basic configuration is described in Patent Document 1.
  • the refractive index of the light guide plate made of plastic according to the present embodiment is 1.58, the thickness of the light guide plate is 0.6 mm, and the size of the incident diffraction grating. Is 5 mm ⁇ 5 mm, and the size of the output diffraction grating is sufficiently large. Also, the reflection of light at the eyes and at the edges of the light guide plate is ignored.
  • FIGS. 9A to 9C show the relationship between the pitch of the output diffraction grating and the pixel range of the image that can be projected.
  • the pixel ratio on the vertical axis indicates the ratio of pixels in which the path of light rays reaching the pupil due to diffraction and total reflection by the input / output diffraction grating is 1 or more. Means that the part is missing. Since the pixel ratio can be obtained only by the presence or absence of the path, there is an advantage that the characteristics of the light guide plate can be grasped without depending on the diffraction efficiency of each diffraction grating and the thickness of the light guide plate.
  • FIG. 9A shows the result when the viewing angle is 40 degrees. It can be seen that there is a difference in the range where the pixel ratio is 1 depending on the wavelength of each color of RGB. This corresponds to the fact that the diffraction grating has a strong wavelength dependency.
  • the diffraction grating pitch of about 390 nm, and 470 nm, the pixel rate of the RGB image becomes 1, and the image projection is performed. It turns out that it is possible.
  • FIG. 9B shows the result when the viewing angle is 50 degrees. It can be seen that as the viewing angle increases, the range of the pitch of the diffraction grating where the pixel ratio becomes 1 becomes narrower. The median value of the pitch of the diffraction grating at which the pixel ratio is 1 for each color is about 360, 440, and 520 nm, respectively. It can be seen that full-screen image projection is possible by combining three light guide plates corresponding to B, G, and R, respectively, having a diffraction grating pitch indicated by three arrows in the figure.
  • FIG. 9C shows the result when the viewing angle is 70 degrees. It can be seen that as the viewing angle increases, the pixel ratio decreases and the maximum value becomes less than one. This means that a light guide plate having one diffraction grating pitch cannot project an image of any of RGB colors onto the entire surface. In this case, the area of the display image is shared by two or more light guide plates, and by setting R + G + B ⁇ 1, an image of the entire screen can be projected. By combining four light guide plates indicated by four arrows in the figure, image projection of the entire screen becomes possible.
  • the four light guide plates correspond to, for example, a short wavelength region of B, a long wavelength region of B and a short wavelength region of G, a long wavelength region of G and a short wavelength region of R, and a long wavelength region of R.
  • the visible wavelength region is shared by a plurality of diffraction gratings having different diffraction grating pitches in the range of 300 nm to 550 nm.
  • the pitch and the number of diffraction gratings can be appropriately set according to the viewing angle of the image to be projected. Since the purpose of this embodiment is to provide the light guide plate at low cost, the refractive index of the plastic material used as the substrate material is about 1.7 at the maximum. When the refractive index of the substrate material increases, it is possible to maximize the image range to be displayed by selecting a diffraction grating pitch substantially in inverse proportion thereto. At this time, the range in which the pixel ratio is 1 is also large. As a result, by selecting a substrate material having a large refractive index, an image with a large viewing angle can be projected.
  • the maximum value of the viewing angle that can be dealt with in this embodiment is about 80 degrees.
  • it is desirable to reduce the number of light guide plates to one. The relationship between the viewing angle and the pixel ratio at this time will be described below with reference to FIG.
  • FIGS. 10A to 10C show another simulation result showing the relationship between the output diffraction grating pitch and the pixel ratio
  • FIGS. 10A, 10B, and 10C show the cases where the viewing angles are 30, 25, and 20 degrees, respectively.
  • the arrow shown in the figure is a condition of the diffraction grating pitch suitable for projecting an RGB image with one light guide plate, and substantially corresponds to the intersection of the R and B characteristics.
  • the refractive index of the substrate is 1.58, it is about ⁇ 25 nm (400 nm to 450 nm) centering on 425 nm.
  • FIGS. 10A to 10C show another simulation result showing the relationship between the output diffraction grating pitch and the pixel ratio
  • FIGS. 10A, 10B, and 10C show the cases where the viewing angles are 30, 25, and 20 degrees, respectively.
  • the arrow shown in the figure is a condition of the diffraction grating pitch suitable for projecting an RGB image with one light guide plate, and
  • an image can be projected up to approximately 25 degrees with one light guide plate.
  • a part of the red image (R) or the blue image (B) may not be displayed.
  • FIGS. 11A and 11B are simulation results showing the pixel ratio when the viewing angle is 25 degrees.
  • the pixel ratio for each wavelength is displayed by luminance.
  • a high luminance area is shown in white, and a low luminance area is shown in gray.
  • FIG. 11A shows the result when the refractive index of the substrate is 1.58 and the diffraction grating pitch is 425 nm.
  • a white area 1101 in the figure indicates that all the RGB images can be displayed.
  • the upper gray area 1102 indicates an area where the blue image (B) is not displayed, and the lower gray area 1103 indicates an area where the red image (R) is not displayed.
  • FIG. 11B shows the result when the refractive index of the substrate is 1.70 and the diffraction grating pitch is 395 nm, and it can be seen that the RGB image can be projected in all the regions 1104.
  • the results shown here determine the diffraction grating pitch based on the latter relationship.
  • the diffraction efficiency of the incident diffraction grating has a first-order diffraction efficiency in the range of 10% to 80%, and preferably in the range of 30% to 70% from the viewpoint of the brightness and power consumption of the projected image. It is desirable.
  • the output diffraction grating is used in a range of 0.1% to 10%, preferably 0.2% to 7.5%, and more preferably 0.1% to 10% in order to replicate light rays and emit light from the light guide plate over a wide area. It is desirable to have a first-order diffraction efficiency of 5 to 5%.
  • the diffraction efficiency of the diffraction grating is determined by the pitch, height, and shape of the formed periodic uneven pattern.
  • Discs such as DVDs and BDs, which are mass-produced as optical disks, need to discuss the suitability of the process technology for the pitch, height, and shape of the diffraction grating in order to create a light guide plate using process technology. There is.
  • Polycarbonate materials are used in widely used optical disks such as DVDs and BDs.
  • a periodic uneven pattern having a pitch of 320 nm (25 GB capacity BD) to 740 nm (4.7 GB capacity DVD) and a depth of 10 to 100 nm is formed as a light spot guide groove. It is formed as spot guide grooves or coded data.
  • Reproduction-only and rewritable optical disks are mass-produced by coating an optical thin film on the surface of a polycarbonate substrate by a sputtering method, and the substrate is supplied at a low cost.
  • optical discs have a two-layer data surface to increase the recording capacity, and almost all movie DVDs and BDs have two layers.
  • a concavo-convex pattern is formed on a polycarbonate substrate by a 2P (Photo Polymerization) method using a UV effect resin.
  • a light guide plate can be produced at low cost.
  • the weight of polycarbonate is 1.2 compared to the specific gravity of glass of 2.5, so the weight can be reduced to less than 1/2.
  • FIG. 12 summarizes the suitability for utilizing the optical disk mass production process technology for the light guide plate of the present embodiment.
  • the parameters of the light guide plate in the figure are based on the simulation results shown above. These parameters change their proper values depending on the aspect ratio and the viewing angle of the image to be projected, and clearly indicate that the proper parameters for the light guide plate of the present embodiment are not limited to the numerical values in the figure. Keep it.
  • the light guide plate of this embodiment is within the range of the condition of the mass-produced optical disc, and it can be seen that the suitability is high. . This is because both use visible light as a light source and employ a diffraction grating (concavo-convex pattern) close to the diffraction limit in order to maximize image quality and recording capacity.
  • the output diffraction grating can be realized with the same rectangular cross-sectional shape as the guide groove of the optical disc and the pattern height is the same, so that the injection molding process can be used as it is.
  • a blazed diffraction grating having a triangular cross-sectional shape with a height of about 200 to 400 nm is suitable for the light guide plate of this embodiment in order to enhance the light use efficiency. It is judged to be slightly inferior.
  • the 2P method uses a UV-curable resin having a low viscosity, the pattern transferability is excellent, and it can be said that the 2P method is suitable for forming an incident diffraction grating.
  • the prototype element described above has a blazed diffraction grating formed on a polycarbonate optical disk substrate made by injection molding by the 2P method, which has the basic function of a light guide plate, that is, waveguide and light beam duplication. Is shown. Therefore, it has been proved that it is possible to utilize the 2P method, which is a process technology of an optical disk, for forming the incident diffraction grating in the figure.
  • the brightness and image quality of the projected image are mainly governed by the diffraction efficiency of the output grating. Next, the relationship between the diffraction efficiency and the height of the uneven pattern will be described in more detail.
  • FIG. 13 shows the relationship between the height of the output diffraction grating and the diffraction efficiency obtained by electromagnetic field calculation (FDTD method; Finite Differential Time Time Domain method).
  • the wavelength is set to 550 nm
  • the pitch of the pattern of the diffraction grating is set to 440 nm
  • the shape of the grating is rectangular, corresponding to green, which is the center of the RGB wavelength band.
  • the height of the grating acts on the light beam as a phase difference. Reflecting this, the result shows a damped oscillation type periodic response. It can be seen that a practical area for the output grating is a height range up to 200 nm where the phase difference is approximately ⁇ / 4 or less, and the maximum value of the diffraction efficiency is about 7%. From FIG. 13, the standard of the first-order diffraction efficiency of the output diffraction grating is about 0.1% to 7.5%, preferably about 0.5% to 5.0%. As described above, when the process technology of the optical disk is applied, it can be said that the height of the uneven pattern of the diffraction grating is about 100 nm, that is, the diffraction efficiency is about 4% or less.
  • FIGS. 14A and 14B show the results of calculating the relationship between the diffraction efficiency of the output diffraction grating, the luminance of the projected image, and the luminance unevenness.
  • the wavelength and the pitch condition of the output diffraction grating were the same as above, and the angle of view of the projected image was 40 degrees.
  • the thickness of the light guide plate corresponds to the thickness of the general glass substrate of 1.0 mm, the thickness of the DVD substrate of 0.6 mm, and the thickness of the cover layer of Blu-ray @ Disc corresponding to Patent Document 1. There are three types with a thickness of 0.1 mm.
  • FIG. 14A shows the relationship between the diffraction efficiency of the output grating and the luminance at the center of the projected image.
  • the vertical axis in the figure is proportional to the light use efficiency.
  • the three points indicated by arrows in the figure are the conditions under which the center luminance is maximized, and the diffraction efficiencies are 0.7% and 3.5 when the substrate thickness is 0.1 mm, 0.6 mm, and 1.0 mm, respectively. % And 5.5%.
  • FIG. 14B shows the relationship between the diffraction efficiency of the output diffraction grating and the RMS (Root Mean Square) value of the luminance of the projected image.
  • the vertical axis in the figure is a relative value normalized by the center luminance.
  • the three points indicated by arrows in the figure are conditions under which the RMS value of luminance is minimum, that is, the luminance unevenness is minimum.
  • the substrate thickness is 0.1 mm, 0.6 mm, and 1.0 mm, respectively, the diffraction efficiency is 0.3%, 1.7% and 2.3%.
  • the RMS values of the center luminance and the luminance do not match the best conditions. Therefore, it is preferable to appropriately select the diffraction efficiency of the output diffraction grating according to the application in which luminance is prioritized and the application in which luminance unevenness is prioritized.
  • the diffraction efficiency is set between a condition in which the luminance at the center of the image is maximum and a condition in which the luminance unevenness is minimized at a predetermined thickness of the light guide plate.
  • a condition in which the luminance at the center of the image is maximum for example, under the condition that the angle of view of the projected image is 40 degrees, when the substrate thickness is 0.1 mm, in the range of the diffraction efficiency of the output diffraction grating presented in this embodiment, the range is from 0.3% to 5.5%. is there.
  • the thickness of the substrate is important in the image quality of the projected image.
  • the center luminance and the luminance unevenness have a trade-off relationship with the diffraction efficiency of the output grating.
  • the purpose of this embodiment is to provide a light guide plate at low cost by utilizing the process technology of the optical disk.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing an entire process of forming a light guide plate corresponding to a plurality of wavelengths by utilizing a mass production process of optical disks.
  • a master block 301 for the incident diffraction grating and a master block 302 for the output diffraction grating are prepared from the Si master created by the EB drawing method or the like.
  • a polycarbonate substrate 304 on which the output diffraction grating 303 is formed is formed by a matrix 302 for the output diffraction grating and an injection molding method.
  • a single light guide plate 1500 is formed by forming an incident diffraction grating by the 2P method with the matrix 301 for the incident diffraction grating.
  • the light guide plate of this embodiment is completed by combining a plurality of light guide plates 1500 corresponding to each color of RGB as needed.
  • FIG. 16 is a schematic view showing the process of producing the incident diffraction grating of this embodiment.
  • a master (master block) 1601 of an incident diffraction grating in which a concavo-convex pattern is formed on Si or the like in advance using an EB drawing method or the like is prepared.
  • a matrix 301R to be a resin stamper for the 2P method is prepared as follows. After the UV curable resin 1602 selected in consideration of the transferability of the clay and the pattern, etc., is dropped on the master 1601, (A) pressure is applied using the transparent substrate 1603. Next, (B) exposure with ultraviolet rays and (C) peeling are sequentially performed to prepare a resin stamper 301R.
  • a conveyor type exposure apparatus or the like can be selected.
  • the lower half of FIG. 16 shows a process of forming an incident diffraction grating 307R on a polycarbonate substrate 304R on which an output diffraction grating has been formed in advance by an injection molding method.
  • a Ti film or the like having a thickness of about 30 nm is preferably formed as a metal release layer on the surface of the resin stamper in advance.
  • UV curable resin 1604 After the UV curable resin 1604 is dropped on the substrate 304R on which the output diffraction grating 303 is formed, (D) pressurization, (E) exposure with ultraviolet rays, and (F) separation are sequentially performed to form an incident diffraction grating 307R.
  • a UV-curable resin different from the above-described UV-curable resin 1602 can be used in consideration of the refractive index in addition to the releasability and transferability.
  • the refractive index of general UV curable resin is about 1.5, and the difference from the refractive index of polycarbonate is 1.58, so the phase difference generated by the uneven pattern of the base is small, and the diffraction is suppressed to 1/10 or less. Is done.
  • the diffraction due to the concavo-convex pattern of the output diffraction grating 303 serving as the base is as close to zero as possible. In this case, it is effective to select a UV resin whose refractive index is close to that of the substrate material.
  • the above-mentioned reflection coating is formed along the concave / convex pattern of the output diffraction grating 303 formed later, it also has an effect of effectively reducing the influence of the concave / convex pattern of the underlying output diffraction grating. It is also effective to form a flat surface without forming the output diffraction grating 303 in the area where the incident diffraction grating 307R is formed.
  • a method of forming a concavo-convex pattern having a narrow pitch of, for example, about 240 nm or less and not diffracting a visible light wavelength is also effective.
  • the same UV resin was used for both. Thereafter, the above-described reflective coating, an anti-reflection coating or the like is appropriately formed for the purpose of enhancing the see-through property when worn by a user.
  • the thickness of the light guide plate of this embodiment has an appropriate value according to the diameter of the beam incident on the light guide plate. Parameters other than the diameter of the incident beam and the diffraction efficiency of the output diffraction grating are the same as above.
  • FIG. 17 shows the calculation result of the image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 4 mm ⁇ .
  • the primary diffraction efficiency of the output diffraction grating was set to 1.7%. This is a result of changing the thickness T of the light guide plate to (a) 2.0 mm, (b) 1.0 mm, (c) 0.6 mm, (d) 0.3 mm, and (e) 0.1 mm. .
  • FIGS. 18A and 18B show the results obtained by summing the RMS value and the maximum value of the luminance as the quality of the projected image.
  • the RMS value of the luminance is 10% or less when the substrate thickness is in the range of 0.5 mm to 1.0 mm, which is good.
  • the maximum luminance increases as the substrate thickness decreases, and becomes maximum when the thickness of the light guide plate is 0.2 mm.
  • the thickness of the light guide plate there is a trade-off between the maximum luminance and the luminance unevenness, and it is possible to select an appropriate value according to the application.
  • FIG. 19 shows a calculation result of an image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 1 mm ⁇ . This is a result of changing the thickness T of the light guide plate to (a) 2.0 mm, (b) 1.0 mm, (c) 0.6 mm, (d) 0.3 mm, and (e) 0.1 mm. .
  • the results shown here are obtained when the light guide plate of this embodiment is applied to a small head-mounted display.
  • the primary diffraction efficiency of the output diffraction grating is set to 0.85%. Since the propagation angle of the light beam is determined by the pitch of the diffraction grating, the angle and the wavelength of the incident light, if these are constant, the number of times the light beam intersects the output diffraction grating before being projected onto the retina is inversely proportional to the substrate thickness. Therefore, by setting the diffraction efficiency of the output diffraction grating substantially in proportion to the substrate thickness, the light use efficiency can be made substantially constant.
  • FIG. 20A and 20B show the results obtained by summarizing the RMS value and the maximum value of the luminance.
  • the RMS value of the luminance is 10% or less when the substrate thickness is in the range of 0.2 mm to 0.5 mm, which indicates that the RMS value is good.
  • the maximum luminance increases as the thickness of the light guide plate decreases. From these relationships, it is also possible to select a suitable thickness of the light guide plate according to the application.
  • the light guide plate of the present embodiment has a high brightness and a small brightness unevenness by appropriately selecting the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating according to the diameter of the incident beam.
  • a light guide plate for a display can be provided.
  • the operation of the present embodiment has been presented for a case where the angle of view is relatively wide at 40 degrees.
  • the appropriate thickness of the light guide plate is 0.2 mm to 1.0 mm, and the two have a roughly proportional relationship.
  • an appropriate thickness of the light guide plate can be easily obtained by utilizing this proportional relationship. More specifically, an appropriate value can be obtained by using the simulation method presented in the present embodiment as in the above.
  • the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating suitable for the present embodiment depend on the diameter of the beam, which is a group of light rays including image information incident on the light guide plate. It is shown that there is an appropriate value according to.
  • ns is the refractive index of the substrate (light guide plate)
  • P is the pitch of the diffraction grating
  • ⁇ is the wavelength of the light beam.
  • the pitch of the diffraction grating is 440 nm
  • the refractive index of the light guide plate is 1.58, ⁇ p0 is 52.3 °.
  • the interval L between points where the light beam and the output diffraction grating intersect is represented by the following equation (13).
  • FIG. 21 is an example showing the relationship between the thickness of the light guide plate (substrate) and the beam interval L. Considering the effect of the spread of the wavelength of the light source, if the diameter of the beam incident on the light guide plate is smaller than L, the image information recognized by the user will be discontinuous bright spots as shown in FIG. It becomes a pattern. That is, FIG. 21 shows that the image quality is degraded when the thickness of the light guide plate is increased under the premise that the beam diameter is constant.
  • the diffraction efficiency of the output diffraction grating in order to show the relationship between the thickness of the light guide plate, the diffraction efficiency of the output diffraction grating, and the quality of the image recognized by the user, the case where the diameter of the incident beam is equal to L will be considered.
  • the same calculations as illustrated in FIGS. 17 to 20 are performed to minimize the diffraction efficiency of the output diffraction grating and the brightness unevenness (brightness RMS value) in which the brightness is maximized with respect to the thickness of the light guide plate.
  • the diffraction efficiency of the output diffraction grating was determined.
  • Figure 22 shows the results. As shown in FIG. 13, the maximum value of the diffraction efficiency when the output diffraction grating is rectangular is 7.5%. Further, from the viewpoint of utilizing the process of the optical disk of the present embodiment, the lower limit of the thickness of the light guide plate is realistically set to the thickness of the cover layer of Blu-ray @ Disc of 0.1 mm from the viewpoint of feasibility.
  • the shaded area is the range of the diffraction efficiency from the maximum luminance to the minimum luminance unevenness, the maximum value of the diffraction efficiency is 7.5% or less, and the lower limit of the thickness of the light guide plate is 0%. .1 mm. That is, the shaded area in FIG. 22 shows the range of the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating suitable for this embodiment in more detail.
  • the thickness of the light guide plate suitable for the present embodiment is in the range of 0.1 mm to 4.0 mm.
  • the preferable range of the diffraction efficiency of the output diffraction grating is 0.1% to 10%, preferably 0.2%, from the viewpoint that the light beam is replicated and emitted from the light guide plate over a large area. It is desirable to have a first-order diffraction efficiency of 0.1% to 7.5%.
  • the preferable range of the diffraction efficiency is within the range.
  • the calculated result is from 0.2% to 7.5%, which is in agreement with the above-mentioned range.
  • the ratio is more preferably 0.5% to 5.0% in order to replicate the light beam and emit it from the light guide plate over a wide area.
  • the thickness of the substrate can be reduced to about 0.5 mm to 3 mm.
  • the above description has shown the parameters suitable for the present embodiment for the light guide plate having a rectangular shape as the cross-sectional shape of the exit diffraction grating using polycarbonate as the material of the light guide plate.
  • an acrylic resin or a plastic material having a high refractive index (refractive index ⁇ 1.70) generally used for an eyeglass lens can be used as a material for the light guide plate.
  • the cross-sectional shape of the output diffraction grating an arbitrary shape such as a sine wave shape, a triangle, and a trapezoid can be used.
  • the influence of the refractive index of the light guide plate and the cross-sectional shape of the output diffraction grating is considered to be approximately ⁇ 20% of the area shift in the range suitable for implementing this embodiment shown in FIG.
  • the light guide plate replicates the light beam including the image information incident thereon while performing total internal reflection light guide and emits a light beam that can be visually recognized by the user.
  • Strength is required. This is because, if the light guide plate is bent and the parallelism between the incident diffraction grating and the output diffraction grating is impaired, image information recognized by the user is distorted by the angle between the two.
  • the practical lower limit of the thickness of the light guide plate suitable for the present embodiment is 0.1 mm in the thickness of the cover layer of Blu-ray @ Disc. It is inevitable that a plastic material having a thickness of 0.1 mm bends under its own weight.
  • FIG. 23 is an embodiment showing the configuration of the light guide plate of this embodiment.
  • the output diffraction grating is shown, and an example is shown in which one plastic substrate and four output diffraction gratings are integrated.
  • 11 is a substrate
  • 12, 14, 16, and 18 are emission diffraction gratings
  • 13, 15, and 17 are transparent spacer layers.
  • the spacing between the output diffraction gratings 12, 14, 16, and 18 corresponds to the spacing between the spacer layers, and is 0.1 mm thick.
  • the thickness t of the light guide plate in (Equation 13) is ⁇ of the distance 2t moved in the thickness direction of the light guide plate until the light beam and the output diffraction grating intersect. Therefore, in the present configuration, the minimum value of t can be made to match the thickness of the spacer layer, and it can be seen from the above discussion that it is effective in improving image quality.
  • the structure of the light guide plate of the present embodiment shown in FIG. 23 is basically the same as the standard of the multi-layer Blu-ray Disc, and can be easily manufactured by using a similar process.
  • the output diffraction grating 12 is formed on the substrate 11 by the injection molding method, and the spacer layer 13 and the output diffraction grating 14 are formed thereon by the 2P method.
  • the spacer layer 15, the output diffraction grating 16, the spacer layer 17, and the output diffraction grating 18 may be sequentially formed.
  • a dielectric reflection film or a thin metal thin film is formed. It is formed to control the reflectance to a predetermined value.
  • the diffraction efficiency can be controlled by forming a dielectric reflection film or a thin metal thin film on the output diffraction grating.
  • the thickness can be easily designed.
  • This embodiment is an extension of the concept of the thickness of the light guide plate. By forming two or more output diffraction gratings formed on a transparent plastic substrate, the output diffraction grating can be maintained while maintaining the mechanical strength. By reducing the interval in the thickness direction of the grid, the quality of the image recognized by the user is improved.
  • the upper limit of the number of output diffraction grating layers that can be formed by this embodiment is approximately eight layers.
  • FIGS. 24A and 24B are simulation results showing an incident diffraction grating suitable for the present example.
  • the calculation was performed with the wavelength of the light source being 550 nm, the pitch of the diffraction grating being 440 nm, and the refractive index of the substrate being 1.58. From the viewpoint of light utilization efficiency, high diffraction efficiency is required for the incident diffraction grating.
  • the overhanging triangular diffraction grating described in Patent Document 2 is an excellent technique capable of coupling incident light to a light guide plate with high efficiency by transmission diffraction.
  • a blazed diffraction grating having a normal triangular shape that does not overhang and that can be formed by an injection molding method, a 2P method, or the like was examined.
  • FIG. 24A is a simulation result of the same transmission type diffraction grating as in “Patent Document 2”.
  • the image light ray 2401 is incident from the left, and the right half of the figure represents the substrate 2402.
  • On the surface of the substrate 2402 a triangular uneven pattern showing a diffraction grating can be seen.
  • the maximum diffraction efficiency can be obtained under the condition that the refraction by the blaze surface and the diffraction by the periodic structure are phase-tuned.
  • the height of the concavo-convex pattern needs to be large, the pattern angle must be 70 to 80 degrees, and the aspect ratio obtained by dividing the pattern height by the period must be 10 or more. is there.
  • the aspect ratio exceeds 2
  • the transmission type diffraction grating shown here is not suitable as the incident diffraction grating of this embodiment.
  • FIG. 24B is a simulation result of a reflection type diffraction grating.
  • the image light ray 2401 similarly enters from the left, and the left half of the figure represents the substrate 2402.
  • the substrate 2402 On the surface of the substrate 2402, a triangular uneven pattern showing a diffraction grating can be seen.
  • the maximum diffraction efficiency can be obtained under the condition that the phase is tuned by the reflection by the blaze surface and the diffraction by the periodic structure. As can be seen from the figure, it can be seen that this condition is satisfied with a concave-convex pattern having a lower aspect ratio than that of the transmission type.
  • the height of the concavo-convex pattern is about 250 nm, and the aspect ratio is about 0.57.
  • a triangular uneven pattern having a pattern height of 374 nm can be transferred favorably. It can be said that it is preferable to use a reflection type diffraction grating for the light guide plate of this embodiment.
  • FIGS. 14A and 14B show that when the diffraction efficiency of the output diffraction grating is constant, the luminance of the projected image and the luminance unevenness have a trade-off relationship.
  • a configuration of an output diffraction grating suitable for the light guide plate of this embodiment having high luminance and small luminance unevenness will be described.
  • the calculation was performed on the assumption that the wavelength of the light source was 550 nm, the pitch of the diffraction grating was 440 nm, the refractive index of the substrate was 1.58, and the thickness of the substrate was 0.6 mm.
  • FIGS. 25A and 25B are simulation results of visualizing the intensity distribution of light rays propagating inside the light guide plate.
  • the incident diffraction grating is arranged on the lower side in the y direction, and a pupil corresponding to the user's eye is arranged on the upper side in the y direction.
  • FIG. 25A shows the intensity distribution of light rays reaching the center of the projected image.
  • the emission circle O in the figure indicates a region where the light beam reaching the pupil is finally diffracted on the emission diffraction grating.
  • a high-luminance area on a straight line from the incident diffraction grating in the y direction indicates a main ray group diffracted by the incident diffraction grating and propagated inside the light guide plate (hereinafter, principal ray group).
  • the propagation direction of the chief ray group is indicated by an arrow 251.
  • the intensity gradually decreases due to the propagation of the principal ray group.
  • the low-luminance ray group that spreads around the principal ray group is a ray group that is diffracted by the output diffraction grating and whose traveling direction is deflected in the xy plane.
  • the exit circle O and the pupil coincide in the xy plane. Therefore, what reaches the pupil and is recognized as an image is a part of the principal ray group having a high intensity.
  • FIG. 25B shows an intensity distribution of a light ray reaching the lower right end of the projected image.
  • the image is inverted by the lens action of the eye and the image projected on the retina is processed by the brain and further inverted to omit the effect of perception, and is recognized at the lower right corner of the visual field
  • the image is displayed as having a wave number vector pointing to the lower right.
  • the chief ray group travels from the incident diffraction grating toward the upper right. Further, it is understood that the exit circle O and the pupil P do not coincide in the xy plane, and the light beam that reaches the pupil and is recognized as an image is deflected to the upper left from the principal ray group. Therefore, the intensity of the light beam that reaches the pupil P and is recognized as an image is lower than that in the case of FIG. 25A. The above is one reason why luminance unevenness occurs when an image is projected using the light guide plate.
  • FIGS. 26A and 26B are schematic diagrams showing a method of improving the uneven brightness of the projected image according to the present embodiment.
  • the solution is shown schematically overlying the simulation results of FIGS. 25A and 25B.
  • 100 is a light guide plate
  • 210 and 220 are diffraction efficiency enhancement regions provided in a part of the output diffraction grating.
  • the traveling direction of the principal ray group propagating in the light guide plate differs depending on the position of the image to be viewed.
  • the principal ray group is strongly diffracted in the direction of the emission circle by the diffraction efficiency enhancement region 210, so that the intensity of the light beam reaching the emission circle can be increased, and luminance unevenness can be improved. Can be improved.
  • the diffraction efficiency enhancement region is formed in a region that does not coincide with the principal ray group directed to the center of the image. This can be realized by controlling the duty ratio and height of the concave and convex portions forming the grating when the master is created by the above-described EB drawing apparatus or the like.
  • the light guide plate illustrated in FIG. 3 of Patent Document 1 includes a waveguide and three linear diffraction gratings H0, H1, and H2.
  • the incident light illuminates the diffraction grating H0, which is coupled into the waveguide.
  • the two gratings H1, H2 formed in the waveguide overlap each other.
  • this embodiment can also be realized by forming only the diffraction grating H1 in the diffraction efficiency enhancement region 210 and forming only the diffraction grating H2 in the diffraction efficiency enhancement region 220.
  • the light guide plate having the output diffraction grating formed on one surface is suitable for the embodiment in that the process of the optical disc is utilized.
  • FIG. 27 is another schematic diagram showing a method for improving the luminance unevenness of the projected image according to the present embodiment.
  • a solution focusing on the intensity attenuation in the y-direction due to the propagation of the principal ray group in FIG. 25A is provided.
  • FIG. 27 shows the result of calculating the relationship between the pixel position in the y direction of the projected image and the luminance under the same conditions as above.
  • the pixel position in the y-direction increases according to the propagation length from the incident diffraction grating to the outgoing circle (the projected image In accordance with (upper side), the luminance of the image is attenuated (characteristic 2701).
  • the attenuation is moderate, the unevenness in luminance of the projected image can be improved by correcting the diffraction efficiency of the output diffraction grating in a plane by linear approximation (characteristic 2702).
  • FIG. 28 is a schematic diagram showing the light guide plate of this embodiment for reducing uneven brightness of an image formed by the projector 281 as an image forming means.
  • 300 denotes a light guide plate
  • 307 denotes an incident diffraction grating
  • 303 denotes an output diffraction grating.
  • the enlarged view of the concavo-convex pattern of the output diffraction grating is also shown.
  • by changing the duty of the concavo-convex pattern of the output diffraction grating in the y direction (light propagation direction) a distribution is given to the diffraction efficiency, thereby improving the luminance unevenness shown in FIG. It becomes possible.
  • a resist is exposed in a predetermined pattern by an EB drawing method or a reduced exposure method, and then cleaning and etching are sequentially performed to form an uneven pattern on the surface of the Si substrate. .
  • the resist is coated uniformly by spin coating, etc., and the electron and photons used for exposure have an absorptivity distribution in the thickness direction of the resist. It is preferable to have an appropriate height.
  • the diffraction efficiency of the diffraction grating is controlled according to the phase difference imparted by the concavo-convex pattern, and this can also be controlled by changing the duty of the concavo-convex pattern. From the above, it can be said that a method of modulating the duty of the concavo-convex pattern in a plane is suitable as a method for imparting the in-plane distribution of diffraction efficiency suitable for the light guide plate of the present embodiment.
  • FIG. 29 shows another embodiment using the light guide plate of this embodiment.
  • the light guide plate 300 of the present embodiment can project an image even when the user's eyes are on the opposite side to the projector 281 due to the symmetry of diffraction by the diffraction grating. In this case, the user can easily recognize the image by mirror-inverting the projection pattern of the liquid crystal element in the projector (not shown).
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing the configuration of the image display device of this embodiment.
  • Light having image information emitted from the projector 281 in the figure is delivered to the user 400 by the action of the B, G, and R light guide plates 300B, 300G, and 300R, thereby realizing augmented reality.
  • Each of the light guide plates B, G, and R is a combination of the light guide plate of the embodiment shown in FIG. 3 as shown in FIG. 15, and the pitch and depth of the formed diffraction gratings depend on each color. Optimized.
  • the image display device of this embodiment includes light guide plates 300B, 300G, and 300R, a projector 281 as an image forming unit, and a display image control unit (not shown).
  • the light guide plate module 3001 is one in which R, G, and B light guide plates are integrated corresponding to color display.
  • the image forming means includes, for example, an image forming apparatus including a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source, and a lens, an image forming apparatus including an organic and inorganic EL (Electro Luminescence) element array and a lens, and light emission.
  • a widely known image forming apparatus such as an image forming apparatus using a diode array and a lens, and an image forming apparatus combining a light source, a semiconductor MEMS mirror array, and a lens can be used. Further, an LED or laser light source and an optical fiber whose tip is resonated by MEMS technology, PZT, or the like can be used.
  • the most common one is an image forming apparatus comprising a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source and a lens.
  • the spatial light modulator include a transmissive or reflective liquid crystal display such as LCOS (Liquid Crystal On Silicon) and a digital micromirror device (DMD). Or an LED or laser corresponding to each color.
  • the reflection type spatial light modulator reflects a part of light from the liquid crystal display device and the light source to the liquid crystal display device, and passes a part of the light reflected by the liquid crystal display device. Then, it can be configured to include a polarizing beam splitter that leads to a collimating optical system using a lens.
  • a red light emitting element a green light emitting element, a blue light emitting element, and a white light emitting element can be given.
  • the number of pixels may be determined based on the specifications required for the image display device. Specific values of the number of pixels may be 320 ⁇ 240, 432 ⁇ 240, 640 ⁇ 480 in addition to 1280 ⁇ 720 shown above. , 1024 ⁇ 768 and 1920 ⁇ 1080.
  • the light beam including the image information emitted from the projector 281 is positioned so as to irradiate the respective incident diffraction gratings of the light guide plates 300B, 300G, and 300R, and is integrated with the light guide plate module 3001. Formed.
  • the display image control unit (not shown) controls the operation of the projector 281 and provides a function of appropriately providing image information to the user 400.
  • the image display device of this embodiment may further include a touch sensor, a temperature sensor, an acceleration sensor, and the like for acquiring information on the user and the outside world.
  • Various sensors and an eye tracking mechanism for measuring the movement of the user's eyes can be provided.
  • a light guide plate image display element having an uneven diffraction grating described in Patent Documents 1 to 3, which is advantageous for realizing a wide viewing angle, and using the same.
  • the image display device can be provided to the user at low cost and light weight.
  • a light guide plate that realizes low cost by utilizing the manufacturing technology of the optical disc and lightening by using plastic.
  • the standard is about 1/10 to 1/100 for the cost and about 1/2 or less for the weight.
  • the use of plastic as the light guide plate has the additional property of improving safety because plastic is less likely to scatter than glass when subjected to an unexpected external impact when worn by the user. The effect is also realized.
  • a head-up display (HUD) for in-vehicle use described in Patent Document 6 has almost the same structure as a head-mounted display of the present invention, and provides appropriate information to a driver. Can be presented. Therefore, the light guide plate of the present invention can be easily applied to a head-up display.
  • 300 light guide plate 307: incident diffraction grating 303: output diffraction grating

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Abstract

本発明は、ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減を目的とする。 本発明の導光板（１５００）は、第１の樹脂からなる第１の部材（３０４Ｒ）と、第１の部材（３０４Ｒ）の少なくとも一部の上に形成された第２の樹脂（１６０４）からなる第２の部材（３０７Ｒ）とを備える導光板（１５００）である。この導光板（１５００）では、第１の樹脂と第２の樹脂（１６０４）は異なる樹脂であり、第１の部材（３０４Ｒ）には第１のパターンからなる第１の回折格子（３０３）が形成され、第２の部材（３０７Ｒ）には第２のパターンからなる第２の回折格子が形成される。そして、第１のパターンと第２のパターンは異なるパターンである。

Description

導光板、導光板モジュール、画像表示装置および導光板の製造方法
　本発明は、導光板と回折素子とを組み合わせた、小型・軽量で拡張現実の表示が可能な画像表示素子および装置に関するものである。
　拡張現実の画像表示装置では、ユーザは投影されるイメージだけでなく、周囲を見ることも同時にできる。投影されたイメージは、ユーザによって知覚される現実世界に重なり得る。これらのディスプレイの他の用途として、ビデオゲーム、および、眼鏡のようなウェアラブルデバイスなどが挙げられる。ユーザは半透明な導光板とプロジェクタが一体となった眼鏡もしくはゴーグル状の画像表示装置を装着することで、現実世界に重ねてプロジェクタから供給される画像を視認することが可能である。
　こうした画像表示装置に「特許文献１」～「特許文献３」に記載されているものがある。これらの特許文献の中では、導光板はガラス製の基板に形成された複数の凹凸形状の回折格子から構成されている。プロジェクタから出射した光線は、入射用の回折格子によって導光板へと結合され、全反射しながら導光板内部を伝搬する。光線はさらに別の回折格子によって複製された複数の光線に変換されながら，導光板内を全反射伝搬し，最終的に導光板から出射する。出射した光線の一部はユーザの瞳を介して網膜に結像され，現実世界の画像に重なった拡張現実画像として認識される。
　こうした凹凸型の回折格子を用いた導光板では，プロジェクタから出射した光線の波数ベクトルＫは，導光板の中に屈折してスネル法則により波数ベクトルがＫ０となる。さらに入射用の回折格子によって導光板内部を全反射伝搬が可能な波数ベクトルＫ１に変換される。導光板に設けられた別の１つまたは複数の回折格子により回折作用を受け，Ｋ２，Ｋ３，・・・のように回折を繰り返すごとに波数ベクトルが変化する。
　最終的に導光板を出射した光線の波数ベクトルをＫ’とすると，｜Ｋ’｜＝｜Ｋ｜であり，プロジェクタが導光板を介して，目と反対側にある場合には，Ｋ’＝Ｋとなる。一方，プロジェクタが導光板を介して，目と反対側にある場合には，波数ベクトルに関して導光板は反射ミラーと同じ作用となり，導光板の法線ベクトルをｚ方向にとり，波数ベクトルのｘ，ｙ，ｚ成分を比較すると，Ｋｘ’＝Ｋｘ，Ｋｙ’＝Ｋｙ，Ｋｚ’＝－Ｋｚと表すことができる。
　導光板の機能は，プロジェクタから出射した光線を複数に複製しながら導波し，出射した複数の光線は元の画像と等価な画像情報としてユーザに認識されるようにするものである。光線の波長によって波数ベクトルの大きさが異なる。凹凸型の回折格子は一定の波数ベクトルを有するため，入射する光線の波長によって，回折された波数ベクトルＫ１が異なり，異なる角度で導光板内を伝搬する。導光板を構成するガラス基板の屈折率は波長に対して概略一定であり，全反射しながら導光する条件の範囲は，入射する光線の波長によって異なる。このため，広い視野角の画像をユーザに認識させるためには，波長ごとに異なる導光板を複数枚かさねる必要がある。一般的に導光板の数はＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した枚数，もしくはプラスマイナス１枚程度が最適と考えられる。
　「特許文献１」に記載されている画像表示装置は二次元内で入力光を拡大するための画像表示装置であって，３つの直線状回折格子を備える。１つは入射用の回折格子であり，他の２つの回折格子は，代表的には導光板の表面と裏面に互いに重なって配置され，複製用と出射用の回折格子の機能を果たす。
　「特許文献２」，「特許文献３」に記載されている画像表示装置では，入射用，Ｘ方向複製用，およびＹ方向複製と出射用の３つの回折格子が，導光板内で領域が重なることなく配置されている。「特許文献３」では，入射回折格子の回折効率を高くするために，オーバハングされた三角形状の回折格子が開示されている。
　「特許文献４」と「特許文献５」には，導光板に形成される回折格子として，入射用と出射用の２つの反射型体積型ホログラムを用いる技術が開示されている。これらにおいて，体積型ホログラムは，複数の波長に対応した回折格子を空間内に多重に形成されたものであり，「特許文献１」～「特許文献３」の凹凸型回折格子と異なり，複数の波長の光線を同じ角度で回折する。したがって，１枚の導光板でＲＧＢ画像をユーザに認識させることができる。一方，「特許文献１」～「特許文献３」の凹凸型回折格子では光線をＸ，Ｙの２次元方向に複製するため広い視野角を実現しうるのに対して，「特許文献４」と「特許文献５」ではＸ方向の１次元複製の機能のみ提供されるため，視野角が相対的に狭いという特徴がある。
特表２０１７－５２８７３９号公報 ＵＳ２０１６／０２３１５６６Ａ１公報 ＷＯ９９／５２００２Ａ１公報 特開２００７－９４１７５号公報 特開２０１３－２００４６７号公報 再表２０１４／１５６１６７号公報
　「特許文献１」では導光板に基板材料に関し，その００３８項等にあるように，ガラス材料を用いる技術を開示している。回折格子に関しては，その００１７項にあるように，導波路（＝ガラスプレート）表面をエッチングによって加工して形成する技術を開示している。
　「特許文献２」では回折格子に関し，その００４４項にあるように，表面レリーフ格子ＳＲＧ（＝凹凸型回折格子）は基板上に所望の周期的微細構造を製造するために、基板のエッチングおよび／または堆積を含む適切な“微細加工プロセス”によって製造される技術を開示している。基板に関しては，光学部品そのもの，もしくは光学部品を製造するための金型などの製造マスターであってもよいとされている。「特許文献２」のFig.5B～Fig.5Cには、入射回折格子に好適なオーバハングされた三角状の回折格子が示されている。
　特許文献３では基板に関し，その第８頁にあるように，ガラス基板を用いる技術を開示している。特許文献３のFig.1には導光板の構成が示されている。
　これらの技術で開示される導光板はガラス基板を用い，回折格子は，半導体の加工に広く用いられているエッチングやリソグラフィ等の“微細加工プロセス”により形成するものである。“微細加工プロセス”のエッチング工程では，真空装置内でＧａ等のプラズマ粒子を用いた切削加工により，ガラス基板の表面に凹凸形状を形成することができる。
　ガラス基板のエッチング工程により形成された導光板は，真空工程等を含むため，製造コストの低減には限界があった。また，近年の眼鏡の例に見られるように，ガラス材料は重いため，ユーザが快適に装着するためにプラスチックレンズが主流になっている。
　本発明の目的に照らした場合，先行技術の課題は，ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減である。
　本発明の好ましい一側面は、第１の樹脂からなる第１の部材と、第１の部材の少なくとも一部の上に形成された第２の樹脂からなる第２の部材とを備える導光板である。この導光板では、第１の樹脂と第２の樹脂は異なる樹脂であり、第１の部材には第１のパターンからなる第１の回折格子が形成され、第２の部材には第２のパターンからなる第２の回折格子が形成される。そして、第１のパターンと第２のパターンは異なるパターンである。
　本発明の好ましい他の一側面は、上記の導光板を複数備え、複数の導光板のそれぞれは所定の波長に対応した、互いに異なる第１のパターンを有し、複数の導光板を積層して形成した導光板モジュールである。
　本発明の好ましい他の一側面は、上記の導光板と、映像を投影するプロジェクタとを備え、プロジェクタの出射光が，第２のパターンを照射するように配置されている、画像表示装置である。
　本発明の好ましい他の一側面は、ポリカーボネートあるいはアクリル樹脂で形成され、面に第１の回折格子パターンを有する基板を準備する第１の工程と、第１の回折格子パターンの上に、光硬化樹脂を配置する第２の工程と、光硬化樹脂に第２の回折格子パターンを転写する第３の工程と、光硬化樹脂を硬化させる第４の工程と、を有することを特徴とする導光板の製造方法である。
　本発明によれば、ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減が可能となる。
回折格子の形状パラメータの定義を示す模式側面図。 回折格子の形状パラメータの定義を示す模式側面図。 実施例の導光板の製造方法を示す流れ図。 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。 試作素子の外観写真。 試作素子の評価結果の回折パターン像。 試作素子の評価結果の回折パターン像。 試作素子の評価結果のグラフ図。 試作素子の評価結果のビームパターン像。 １次回折効率の測定結果と回折モデルの比較結果を示すグラフ図。 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。 視野角２５度の場合の画素率を示すシミュレーション結果を示すイメージ図。 視野角２５度の場合の画素率を示すシミュレーション結果を示すイメージ図。 光ディスクの量産プロセス技術を実施例の導光板に活用するための適合性についてまとめた結果を示す表図。 電磁場計算により求めた出射回折格子の高さと回折効率の関係を示すグラフ図。 出射回折格子の回折効率と投影像の輝度の関係を計算した結果を示すグラフ図。 出射回折格子の回折効率と投影像の画質の関係を計算した結果を示すグラフ図。 光ディスクの量産プロセスを活用した実施例の導光板を形成するプロセス全体を示す側面摸式図。 実施例の入射回折格子の作成プロセスを示す側面摸式図。 入射するビームの直径４ｍｍφの場合の網膜に投影される像の計算結果イメージ図。 入射するビームの直径４ｍｍφの場合の輝度のＲＭＳ値をまとめた計算結果のグラフ図。 入射するビームの直径４ｍｍφの場合の輝度の最大値をまとめた計算結果のグラフ図。 入射するビームの直径１ｍｍφの場合の網膜に投影される像の計算結果イメージ図。 入射するビームの直径１ｍｍφの場合の輝度のＲＭＳ値をまとめた計算結果のグラフ図。 入射するビームの直径１ｍｍφの場合の輝度の最大値をまとめた計算結果のグラフ図。 導光板の厚さと光線と出射回折格子が交差する点の間隔の関係を示すグラフ図。 導光板の厚さと輝度最大および輝度ムラ最小となる出射回折格子の回折効率の関係を示す計算結果のグラフ図。 実施例の導光板の構成を示す断面図。 透過型の入射回折格子のシミュレーション結果を示すイメージ図。 反射型の入射回折格子のシミュレーション結果を示すイメージ図。 導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果を示すイメージ図。 導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果を示すイメージ図。 実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図。 実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図。 輝度ムラを軽減する方法を説明するグラフ図 輝度ムラを軽減する実施例の導光板を示す摸式図。 実施例の導光板を用いた別の実施例を示す摸式図。 実施例の導光板を示す模式図。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
　以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。
　同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
　本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。
　図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
　以下の実施例では、導光板のプラスチック化を可能とする技術を開示する。また，上述のように導光板には入射用とそれ以外の回折格子が形成される。本明細書では，以下，前者を入射回折格子，後者を出射回折格子として表現を統一して説明を進める。
　広く普及しているＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ），ＢＤ（Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）　Ｄｉｓｃ）等の光ディスクでは，基板としてポリカーボネートに代表されるプラスチック材料が用いられている。基板の表面には光スポットの案内溝として３２０ｎｍ(２５ＧＢ容量ＢＤ)程度から７４０ｎｍ（４．７ＧＢ容量ＤＶＤ）程度のピッチで，深さが５０～１００ｎｍ程度の凹凸が形成されている。基板の製法は真空工程を含まない射出成型法で量産化されており，安価に供給されている。なお、本明細書で表示「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上Ｂ以下」の意味で用いるとする。また、本明細書では「樹脂」とは高分子化合物からなる材料を意味し、ガラスを含まず、レジン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、光硬化樹脂を含む概念である。
　導光板に必要な回折格子のピッチと深さについて，発明者らの検討の結果を以下に述べる。回折格子のピッチは，入射回折格子と出射回折格子で共通であり，２００～７００ｎｍ，好ましくは３００～６００ｎｍが適している。回折格子の深さに関しては，入射回折格子と，出射回折格子で好適な回折効率が異なることを考慮する必要がある。一般に回折格子の回折効率は深さの増加に応じて大きくなるという関係がある。入射回折格子は入射した光線を効率よく導光板に結合するために，１０％～８０％，好ましくは３０％～７０％の１次回折効率を有することが望ましい。一方，出射回折格子は，光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため，０．１％～１０％，好ましくは０．５％～５．０％の１次回折効率を有することが望ましい。
　回折効率の適性値に応じて，入射回折格子の深さは５０～５００ｎｍ，好ましくは１００～４００ｎｍであることが望まれる。一方，出射回折格子の深さは１０～２００ｎｍ，好ましくは２０～１００ｎｍであることが望ましい。注目すべき点は，出射回折格子に求められるピッチと深さが，射出成型法を用いることにより安価に提供されている光ディスクのピッチと深さが略等しい点である。従って，光ディスクの製造技術を活用することにより，プラスチック基板上に凹凸型回折格子として，出射回折格子を安価に形成することが可能であることが判る。
　その他、入射回折格子と出射回折格子の最適化は、それらの形状、アスペクト、高さ、デユーティー、パターニング領域面積の少なくとも一つをそれぞれの格子に適切なものに設定することで実現される。
　ＤＶＤとＢＤでは，記録容量を増やした多層光ディスクが実用化されている。第１の記録層は上述の射出成型により形成されたプラスチック基板を用いて形成され，その上に２Ｐ（Ｐｈｏｔｏ－Ｐｏｌｙｍａｒｉｚａｔｉｏｎ）法によりＵＶ樹脂を用いたパターン転写技術により第２の記録層が形成されている。２Ｐ法は射出成型法に比較して深さの大きな回折格子を形成することが可能である。後述するように，発明者らの検討により，２Ｐ法により入射回折格子に好適な条件である深さ０．３μｍの回折格子が良好に形成できることが判っている。
　次に，導光板の回折格子の面積について述べる。「特許文献１」～「特許文献３」に記載されてもいるが，上に述べたそれぞれの機能に照らして，入射回折格子の面積は出射回折格子の面積より小さく、入射回折格子の面積＜＜出射回折格子である。
　以下の工程により導光板を形成することにより，光ディスクの製造技術を活用した低コスト化と，プラスチック化による軽量化を実現した導光板を提供することができる。
（１）射出成型法により，大面積の出射回折格子を有するプラスチック基板を作成。
（２）その上の一部の領域に，２Ｐ法により入射回折格子を形成。
（３）これらの１枚または複数枚をフレームに内蔵させて，導光板を形成。
　以下の実施例では，導光板として凹凸型回折格子を有する導光板を例に、さらに詳細に説明を進める。最初に，以下の実施例の理解を容易にするため，回折格子の形状パラメータの定義についてまとめる。
　図１Ａは入射回折格子、図１Ｂは出射回折格子の形状パラメータの定義であり、基板を側面から見た図である。図１Ａに示すように，入射回折格子はピッチＰ，高さＨ，およびブレーズ角θＢにより定義される。また図１Ｂに示すように，出射回折格子はピッチＰ，高さＨ，凸部幅Ａ，およびデューティＤ＝Ａ／Ｐにより定義される。ここに示した例は，入射回折格子と出射回折格子として代表的な形状について示したものであり，本実施例では，これら以外に正弦波状回折格子等を用いることができる。
　図２は、本発明の第１の実施例の画像表示素子（導光板）の作成工程を示す流れ図である。
  図３Ａ～図３Ｅは、作成工程の各段階を模式的に示す図である。図２と図３Ａ～図３Ｅを参照して、実施例の作成工程を説明する。
　初めに入射回折格子用の母型３０１と出射回折格子用の母型３０２をＥＢ描画法等により準備する（Ｓ１０１、図３Ａ）。出射回折格子用の母型３０２は射出成型プロセスに適合するようにＮｉスタンパに転写して用いている。
　次に出射回折格子用の母型３０２を用いて，射出成型法によりプラスチック材料を用いて表面に出射回折格子３０３を形成した基板３０４を作成する（Ｓ１０２、図３Ｂ）。基板３０４を構成するプラスチック材料としては，広く用いられているポリカーボネートが好ましいが，ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂ほかの透明樹脂材料を用いることもできる。なお、図３Ｂに、基板として用いたＤＶＤ－ＲＡＭディスク３０５上における、形成された出射回折格子３０３の配置の例をあわせて示す。
　次いで，必要に応じ外界の視認性を高めるための反射防止コーティング３０６を，基板３０４の回折格子と反対の面に，スパッタリング法等により形成する（Ｓ１０３、図３Ｃ）。
　次に、射出成型により形成された基板３０４の一部に，入射回折格子用の母型３０１を用いて２Ｐ法により入射回折格子３０７を形成する（Ｓ１０４、図３Ｄ）。基板３０４の上にＵＶ樹脂で入射回折格子を形成するが、そのためのＵＶ樹脂の厚さは２～１０μｍ程度である。図３Ｄには側面図と上面図をあわせて示す。図３Ｄに示すように、入射回折格子３０７は、出射回折格子３０３に重ねて形成される。２Ｐ法の替わりにドライシートをスタンパとするナノインプリント法等を用いてもよい。
　続いて，必要に応じ入射回折格子３０７の波長分離性能と回折効率の向上のため，入射回折格子３０７の上にマスクスパッタリング法等により反射コーティング３０８を行う（Ｓ１０５、図３Ｅ）。以上により，プラスチック製の安価で計量な導光板３００を形成することができる。
　図４はＤＶＤ－ＲＡＭディスクに、試作した素子の領域Ａ、Ｂ，Ｃの外観写真を示している。ＤＶＤ－ＲＡＭディスクの凹凸パターンは出射回折格子に、試作した素子は入射回折格子に相当する。ここでは射出成型法で作成された表面に周期的な凹凸パターンを有するポリカーボネート基板の上に市販のブレーズ型回折格子を母型として２Ｐ法によりパターン転写を行うと共に，マスクスパッタリング法で反射コーティングを形成した。選択したブレーズ型回折格子はピッチ８３３ｎｍ，ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）により測定した三角形の凹凸パターンの高さは３７４ｎｍであった。ポリカーボネート基板としては，射出成型法で形成された直径８０ｍｍのＤＶＤ－ＲＡＭ基板４０１を選択した。
　ＤＶＤ－ＲＡＭ基板４０１において光スポットの案内溝として形成された凹凸パターンは矩形の回折格子として作用する。回折格子のピッチは１２３０ｎｍ，パターン高さは約７０ｎｍである。図中の３つの素子領域Ａ、Ｂ，Ｃは１辺１２．７ｍｍの矩形であり，それぞれ(1)グレーティングの２Ｐ樹脂のみを形成した領域Ａ，(2)反射コーティングのみを形成した領域Ｂ，および(3)グレーティングの２Ｐ樹脂上に反射コーティングを形成した導波チェック領域Ｃである。グレーティングの２Ｐ樹脂は，図３Ｄで説明した入射回折格子３０７に相当する。
　反射コーティングは、評価に用いた赤色レーザ（波長６３５ｎｍ）に対して回折効率を高めるために準備した５層光学フィルタである。膜構成は光ディスク用の光学膜として広く用いられる誘電体材料から選択し，ポリカーボネート基板（屈折率1.58、膜厚600μm（以下同様）)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)/SiO2(1.47、80nm)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)/SiO2(1.47、80nm)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)とした。以下，この試作素子の評価結果から，本実施例の骨子である射出成型基板による出射回折格子の上に２Ｐ法等により入射回折格子を形成したプラスチック導光板の実現性を示す。
（１）２Ｐ法で形成した入射回折格子の性能
　図５Ａおよび図５Ｂは，図４で説明したＤＶＤ－ＲＡＭ基板４０１にレーザ光を垂直入射した場合の回折パターンを示す。図５Ａは，グレーティングの２Ｐ樹脂が形成されていない領域でのパターンである。図５Ｂは，グレーティングの２Ｐ樹脂が形成されている領域でのパターンである。
　図５Ａに見られるように，入射回折格子となるグレーティングを形成していない領域ではＤＶＤ－ＲＡＭの回折パターンが現れる。一方，２Ｐ法により，その上に形成した入射回折格子がある領域Ａでは，図５Ｂに見られるようにＤＶＤ－ＲＡＭの回折パターンが消失し，入射回折格子の回折パターンが現れることが判る。これにより，本実施例の画像表示素子によって，回折格子パターンの上書きが可能であることが示された。
（２）反射コーティングの分光特性
　図６は反射コーティングの反射率と透過率（縦軸）の波長（横軸）依存性を示す結果である。これはマスクスパッタリング法により，一部の領域のみに光学薄膜を積層した領域Ｂを評価したものである。図に見られるように，点線で示す設計値と実線で示す実測値は良好に一致しており，プラスチック製の導光板の上に光学薄膜によるコーティングを行なうことにより，波長依存反射膜の形成が可能なことが示された。
（３）反射コーティングつきの入射回折格子の結合特性
　図７は反射コーティングを形成した入射回折格子（領域Ｃ）にレーザビームを入射した場合の透過レーザ光のパターンである。図に見られるように，入射ビームに対して，等間隔に複製ビームが整列して出射していることが判る。これは，入射回折格子によりレーザビームが回折され，導光板内を全反射伝搬すると共に，当該ビームが２回，３回，４回と入射回折格子に当たりながら，複製されており，かつ，入射ビームの波数を保存した状態で出射している様子を表している。これは１次元ではあるが，入射ビームの伝搬，複製，出射という導光板の基本機能が達成されたことを示す結果である。なお、領域Ｃの範囲を素子サイズとして点線で示している。
  以上により，本実施例の画像表示素子が，仮想現実向けの導光板としての基本機能を満たすことが示された。
　ここでは，シミュレーションにより，本実施例の画像表示素子による投影像について調べ，本実施例に好適な，具体的構成について述べる。
  1962年にG. H. Spencerらにより提唱された光線追跡法[G. H. Spencer and M. B. T. K. Murty，“General Ray-Tracing Procedure”，J. Opt. Soc. Am. 52，p.672 (1962).]は，光の粒子性に着目して経路を追跡することで，ある点において観測される像などを計算する手法であり，コンピュータグラフィックス分野を中心に精力的に改良が続けられている。
　光線追跡法に基づくモンテカルロ光線追跡法[I. Powell “Ray Tracing through sysytems containing holographic optical elements”，Appl. Opt. 31，pp.2259-2264 (1992).]は，回折や反射等による経路の分離を確率的に扱うことで，演算量の指数関数的な増大を防ぐ手法であり，回折と全反射伝搬を繰り返す導光板のシミュレーションに適している。モンテカルロ光線追跡法では反射や屈折を忠実に再現することができるが，回折に関しては適したモデルの開発が必須である。
　ヘッドマウントディスプレイ向けの導光板では，可視光全域に亘る波長範囲(約400-700nm)と，投影イメージの視野角40°に対応した入射角範囲に対応する回折モデルが必須となる。以下，本実施例で使用する回折モデルについて説明する。
　以下の説明では，光軸をz方向にとり，導光板は法線ベクトルがｚ方向にあり，表面もしくは裏面に少なくとも回折格子が形成されているとする。また，説明の簡素化のため，導光板に対して，プロジェクタ光学系と瞳は反対側に位置するとする。両者が導光板に対して，同じ側にある場合には，以下の波数ベクトルの議論において，導光板から出射する光線にｘ－ｙ面ミラーによる反転操作を施せばよい。
　導光板に入射する光線の波数ベクトルを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
とし，
出射する光線の波数ベクトルを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
とする。
　投影される映像の情報は強度，波長，およびピクセル情報とから構成され，波長およびピクセル情報は目のレンズ作用によって光線の角度情報，すなわち波数ベクトルにより定められる。投影される映像の波長およびピクセル情報を保存するために，導光板には以下の作用が求められる（式(1)）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　光線の回折は，回折次数と回折格子の波数ベクトルの内積を光線の波数ベクトルに加算することによって表される。入射した光線と回折格子がｎ回目に交差するときの回折について，光線の波数ベクトルがｋｎからｋ’ｎになるとすると，次の関係が成り立つ（式(2)）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
ここでｍｎは回折次数，Ｋｎはn回目の交差点における回折格子の波数ベクトルである。
　光線が回折格子とＮ回目の交差で回折し，導光板から出射する場合，式(1)より,以下の関係が成立する（式(3)）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
これは，導光板の基本作用を表している。式(2)をｘ，ｙ，ｚの各成分で表すと，以下（式(4)～(7)）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
ここでｘ，ｙ，ｚの添え字は各波数ベクトルのｘ，ｙ，ｚ成分を表している。
　ここで，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
のとき,波数ベクトルが虚数となるが，これは指定された条件で回折光線が発生しないことを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
により回折光線の発生を以下のように定義する（式(8)）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
回折効率を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
とすると，エネルギー保存則により，以下（式(9)）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　回折格子の波数ベクトルＫｎとｚ軸の張る面内の入射角をθｎとして，回折光の有無と入射角依存性を考慮した回折効率
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
を以下のようにモデル化する（式(10)）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ここで，η０ ｍｎは，ｎ番目の交差点の回折次数ｍｎの垂直入射における回折効率である。式(10)の右辺第２項は回折光線の発生の有無に，第３項はエネルギー保存則に，第４項はγを定数とした入射角依存性に，それぞれ対応している。
　一方、モンテカルロ光線追跡法を採用する市販ソフトウェアとしては照明光学系の設計向けのLightTools（商標）等があるが，角度依存性は扱うことができないため，回折効率は以下となる（式(11)）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ここでは，入射回折格子と同じブレーズ型の回折格子としてEdmund 社製の1,800本/mm密度の市販素子#47-551を用い，波長532nmにおける入射角と回折効率の関係を測定した。
　図８に，１次回折効率の測定結果と式(10)に基づく回折モデルの比較結果を示す。黒丸で示す実験結果８０１から，正と負の１次回折光が共に発生する入射角度の範囲はプラスマイナス３°であった。図に見られるように＋１次回折光は入射角－３°以上で発生し，＋３°までは－１次回折光と併存し，＋３°以上で－１次回折光が消失する。図中の従来モデル８０２は，式(11）の回折モデルを示しており，回折効率が入射角によらず一定であるため，入射角に応じて正と負の１次回折光の併存時，－１次光の消失時，および入射角の増大による回折効率の減少を表すことができない。一方，式(10)のモデル８０３では，ブレーズ回折格子の回折効率の角度依存性を簡潔に表すことが可能なことが判る。
　式(10)のモデルを実装したモンテカルロシミュレータにより，本実施例の画像素子に好適なパラメータ条件について述べる。以下では，特に指定しない場合，次のシミュレーション条件を用いる。ＲＧＢ光源の波長はＲ＝６３５ｎｍ，Ｇ＝５５０ｎｍ，Ｂ＝４６０ｎｍ，光源の波長の広がりは各色共通で２０ｎｍ，投影像のアスペクト比は１６：９，画素数は１２８０ｘ７２０，導光板に入射するビームの直径は４ｍｍ，目の瞳の直径は２ｍｍ，目と導光板の距離は１７ｍｍである。導光板に関しては，基本構成を特許文献１に記載のものとし，本実施例によりプラスチック化した導光板の屈折率は１．５８，導光板の厚さは０．６ｍｍ，入射回折格子の大きさは５ｍｍｘ５ｍｍ，出射回折格子の大きさは十分に大きいものとする。また，目，導光板のエッジでの光の反射を無視する。
　図９Ａ～図９Ｃは出射回折格子のピッチと投影可能な画像のピクセル範囲との関係を示している。ここで縦軸の画素率とは，入・出射回折格子による回折と全反射により瞳に到達する光線の経路が１以上の画素の割合を示し，画素率が１より小さい場合，投影像の一部に欠落が生ずることを意味している。画素率は経路の有無だけで求めることができるため，各回折格子の回折効率や導光板の厚さに依存せずに，導光板の特性を把握できるという利点がある。
　図９Ａは視野角４０度の場合の結果である。ＲＧＢの各色の波長に応じて，画素率が１となる範囲に違いが生じることが判る。これは，回折格子が強い波長依存性をもつことに対応している。図中に２本矢印で示した条件，回折格子ピッチ約３９０ｎｍ，および４７０ｎｍからなる、ＢＧとＧＲに対応する２つの導光板を組み合わせることで，ＲＧＢ画像の画素率が１となり，画像の投影が可能なことが判る。
　図９Ｂは視野角５０度の場合の結果である。視野角の増大に応じて，画素率が１となる回折格子のピッチの範囲が狭くなることが判る。各色で画素率が１となる回折格子のピッチの中央値は，それぞれ約３６０，４４０，５２０ｎｍである。図中に３本矢印で示した回折格子ピッチをもつ、Ｂ，Ｇ，Ｒそれぞれに対応する３枚の導光板を組み合わせることで，全画面の画像投影が可能なことが判る。
　図９Ｃは視野角７０度の場合の結果である。視野角の増大に応じて，画素率が小さくなり，最大値は１未満となることが判る。これは，１つの回折格子ピッチを有する導光板では，ＲＧＢのいずれかの色の画像を全面に投影できないことを意味している。この場合，２つ以上の導光板で表示画像の領域を分担することで，Ｒ＋Ｇ＋Ｂ≧１とすることで，全画面の画像の投影が可能となる。図中の４本の矢印で示した４枚の導光板を組み合わせることで，全画面の画像投影が可能になる。４枚の導光板は、例えばＢの短波長領域、Ｂの長波長領域およびＧの短波長領域、Ｇの長波長領域およびＲの短波長領域、およびＲの長波長領域に対応する。いずれにしても、回折格子ピッチ３００ｎｍ～５５０ｎｍの範囲で、異なる回折格子ピッチを持つ複数の回折格子に可視波長領域を分担させる。
　以下，同様に本実施例の導光板では，投影する画像の視野角に応じて回折格子のピッチと枚数を適切に設定することができる。本実施例では導光板を低コストで提供することを目的としているため，基板材料として用いられるプラスチック材料の屈折率は最大で１．７程度である。基板材料の屈折率が大きくなると，それに略反比例した回折格子ピッチを選択することで，表示する画像範囲を最大化することが可能である。このとき，画素率が１となる範囲も大きくなるため，結果として，基板材料の屈折率が大きいものを選択することで，大きな視野角の画像投影が可能となる。プラスチック材料に限定した場合，本実施例で対応可能な視野角の最大値は８０度程度である。導光板を低コストで提供するためには，導光板数を１枚にすることが望ましい。図１０以下でこのときの視野角と画素率の関係を述べる。
　図１０Ａ～図１０Ｃは出射回折格子ピッチと画素率の関係を示す別のシミュレーション結果であり，図１０Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ視野角３０，２５，２０度の場合を示している。図中に示した矢印は，１枚の導光板でＲＧＢ画像を投影するのに好適な回折格子ピッチの条件であり，ほぼＲとＢの特性の交点に対応する。この例の場合，基板の屈折率が１．５８のときに４２５ｎｍを中心にプラスマイナス２５ｎｍ程度（４００ｎｍ～４５０ｎｍ）である。図１０Ａ～図１０Ｃに見られるように，本実施例によれば，１枚の導光板で概略２５度まで，画像の投影が可能なことが判る。ただし，図１０Ｂ～図１０Ｃのように視野角が大きくなると，赤色画像（R）あるいは青色画像（B）の一部が表示されなくなる場合がある。
　図１１Ａおよび図１１Ｂは視野角２５度の場合の画素率を示すシミュレーション結果である。ここでは，波長ごとの画素率を輝度で表示している。図中で，輝度が高い領域が白、輝度が低い領域が灰色で示されている。
　図１１Ａは，基板の屈折率１．５８，回折格子ピッチ４２５ｎｍの結果である。図中の白色領域１１０１は，ＲＧＢの全ての画像を表示できることを示す。図中，上部の灰色領域１１０２は青色画像（B）が表示されない領域，下部の灰色領域１１０３は赤色画像（R）が表示されない領域を示している。
　図１１Ｂは，基板の屈折率１．７０，回折格子ピッチ３９５ｎｍの結果であり，全ての領域１１０４でＲＧＢ画像の投影が可能であることが判る。これは，前述のように基板の屈折率を大きくすることにより，導光板内を全反射により導光可能な光線の波数ベクトルの角度範囲が大きくなることに対応したものである。このとき，回折格子ピッチは，屈折率に略反比例，好ましくは屈折率の平方根に反比例したものを選択すると良い。ここに示した結果は，後者の関係により回折格子ピッチを定めたものである。
　ヘッドマウントディスプレイ向けの導光板では，入射回折格子の回折効率は投影像の輝度と消費電力の観点から１０％～８０％の範囲，好ましくは３０％～７０％の範囲の1次回折効率を有することが望ましい。一方，出射回折格子は，光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため，０．１％～１０％，好ましくは０．２～７．５％、さらに好ましくは０．５～５％の１次回折効率を有することが望ましい。回折格子の回折効率は形成された周期的凹凸パターンのピッチ，高さ，形状によって定められる。ＤＶＤやＢＤ等のように光ディスクとして量産されているものプロセス技術を活用して，導光板を作成するためには，回折格子のピッチ，高さ，形状について，プロセス技術の適合性について議論する必要がある。
　広く普及しているＤＶＤ，ＢＤ等の光ディスクでは，ポリカーボネート材料が用いられている。射出成型法で形成されたポリカーボネート基板の表面には光スポットの案内溝として３２０ｎｍ(25GB容量ＢＤ)から７４０ｎｍ(4.7GB容量ＤＶＤ)のピッチで，深さ１０～１００ｎｍの周期的な凹凸パターンが光スポットの案内溝やコーディングされたデータとして形成されている。ポリカーボネート基板の表面にスパッタリング法で光学薄膜をコーティングすることにより，再生専用や書換え型の光ディスクは量産されており，基板は安価に供給されている。
　また，光ディスクにはデータ面を２層にすることで，記録容量を増加したものがあり，映画のＤＶＤやＢＤはほぼ全てが２層化されている。第２層はポリカーボネート基板の上に2P(Photo Polymerization)法によりＵＶ効果樹脂で凹凸パターンが形成される。光ディスクの量産プロセスを活用することにより，低コストで導光板を作成できる。このとき，重量はガラスの比重2.5に比較してポリカーボネートは1.2のため1/2以下に軽量化できる。
　図１２は光ディスクの量産プロセス技術を本実施例の導光板に活用するための適合性についてまとめたものである。図中の導光板のパラメータは，上に示したシミュレーション結果に基づくものである。これらのパラメータは投影する画像のアスペクト比や視野角により適正な値が変化するものであり，本実施例の導光板に適正なパラメータが図中の数値に限定される訳ではないことを明記しておく。図中，材料，厚さ，屈折率，出射および入射の回折格子のピッチに関しては，本実施例の導光板は光ディスクとして量産されているものの条件の範囲内にあり，適合性が高いことが判る。これは両者が可視光を光源として用い，画質や記録容量を最大にするために，回折限界に近い回折格子（凹凸パターン）を採用しているためである。
　出射回折格子に関しては，光ディスクの案内溝と同じ矩形の断面形状で実現でき，パターンの高さも同等であるから，射出成型プロセスをそのまま活用することが可能である。入射回折格子に関しては，光利用効率を高めるために高さが２００～４００ｎｍ程度の三角形の断面形状をもつブレーズ型回折格子が本実施例の導光板に適しているため，射出成型法の適合性はやや劣ると判断される。一方で，２Ｐ法は粘度の低いＵＶ硬化樹脂を用いるためパターンの転写性に優れており，入射回折格子の形成には２Ｐ法が適していると言える。前述の試作素子は，射出成型法で作成されたポリカーボネート製の光ディスク基板の上に，２Ｐ法によりブレーズ型回折格子を形成し，それが導波と光線の複製という導光板の基本機能をもつことを示している。したがって，図中の入射回折格子の形成に光ディスクのプロセス技術である２Ｐ法を活用することが可能であることが証明されている。
　投影像の輝度と画質は主として出射グレーティングの回折効率によって支配される。次に回折効率と凹凸パターンの高さの関係について，さらに詳細に述べる。
　図１３は電磁場計算（ＦＤＴＤ法；Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ法）により求めた出射回折格子の高さと回折効率の関係を示している。ここでは，ＲＧＢ波長帯の中央である緑色に対応して波長を５５０ｎｍ，回折格子のパターンのピッチを４４０ｎｍとし，グレーティングの形状は矩形とした。
　グレーティングの高さは位相差として光ビームに作用する。これを反映して，結果は減衰振動型の周期応答を示している。出射グレーティングとして実用的な領域は，位相差が概略λ／４以下となる２００ｎｍまでの高さの範囲であり，回折効率の最大値は約７％であることが判る。図１３から出射回折格子の１次回折効率の目安は、０．１％～７．５％、好ましくは０．５％～５．０％程度である。前述のように，光ディスクのプロセス技術を応用する場合，回折格子の凹凸パターンの高さは１００ｎｍ程度，すなわち回折効率４％程度以下が適すると言える。
　図１４Ａおよび図１４Ｂは出射回折格子の回折効率と投影像の輝度と輝度ムラの関係を計算した結果である。波長と出射回折格子のピッチ条件は上と同じとし，投影像の画角は４０度とした。導光板の厚さは「特許文献１」に対応して一般的なガラス製の基板厚さ１．０ｍｍ，およびＤＶＤの基板厚さである０．６ｍｍ，およびＢｌｕ－ｒａｙ Ｄｉｓｃのカバー層の厚さ０．１ｍｍの３種類である。
　図１４Ａは出射グレーティングの回折効率と，投影像の中央の輝度の関係を示す。図中の縦軸は，光利用効率に比例したものである。図中に矢印で示す３点はそれぞれ中央輝度が最大となる条件であり，基板厚さ０．１ｍｍ，０．６ｍｍ，１．０ｍｍの場合にそれぞれ，回折効率は０．７％，３．５％，５．５％である。
　導光板の厚さが厚くなると大きな回折効率で最大輝度が得られることが判る。これは，光線と出射グレーティングの交差する回数が，導光板の厚さに反比例するという幾何的な条件を反映したものである。
　図１４Ｂは出射回折格子の回折効率と投影像の輝度のＲＭＳ（Root Mean Square：二乗平均平方根）値の関係を示している。図中の縦軸は，中央輝度で規格化した相対値である。図中に矢印で示す３点はそれぞれ輝度のＲＭＳ値が最小，すなわち輝度ムラが最小となる条件であり，基板厚さ０．１ｍｍ，０．６ｍｍ，１．０ｍｍの場合にそれぞれ，回折効率は０．３％，１．７％，２．３％である。
　このように，中央輝度と輝度のＲＭＳ値は最良となる条件が一致しないことが判る。したがって，輝度を優先する用途と，輝度ムラを優先する用途に応じて出射回折格子の回折効率を適切に選択することが好ましい。
　選択手法の一例としては，所定の導光板の厚さにおいて，像中央の輝度が最大となる条件と，輝度ムラが最小となる条件の間に回折効率を設定する。例えば，投影像の画角が４０度の条件において，基板厚さ０.１ｍｍでは，本実施例が提示する出射回折格子の回折効率の範囲では，０．３％から５．５％の間である。本実施例によれば，投影像の画角や導光板に入射するビームの直径等の条件に応じて，先に提示したシミュレーション方法を用いて，出射回折格子の適切な回折効率を定めることができる。
　以上により，導光板では回折格子のピッチと回折効率の他に，基板の厚さが投影像の画質に重要な関与をすることが判った。同時に，中央輝度と輝度ムラが出射グレーティングの回折効率に対してトレードオフの関係にあることを示した。本実施例では，光ディスクのプロセス技術の活用により，安価に導光板を提供することを目的としている。
　図１２の説明にて，図中の数値が本発明の技術範囲を限定しない旨を述べたが，この理由は，基板の厚さが画質を左右する重要なパラメータであることに依っている。同時に，本実施例の導光板として，出射回折格子の回折効率を高めたい用途で，かつ凹凸パターンの高さがプロセス技術の条件範囲と適合しない場合，基板を薄くすることで，実効的に回折効率を増大させることにより解決可能なことを示した。
　図１５は光ディスクの量産プロセスを活用した，複数波長に対応する導光板を形成するプロセス全体を示す摸式図である。
  (ステップ１)では，ＥＢ描画法等で作成したＳｉマスターから，入射回折格子用の母型３０１と出射回折格子用の母型３０２を準備する。続いて(ステップ２)で出射回折格子用の母型３０２と射出成型法により，出射回折格子３０３を形成したポリカーボネートの基板３０４を作成する。その上に(ステップ３)で入射回折格子用の母型３０１と２Ｐ法により入射回折格子を形成することで１枚の導光板１５００を作成する。最後に(ステップ４)で，必要に応じてＲＧＢの各色に対応した導光板１５００を複数枚組み合わせて，本実施例の導光板を完成させる。
　図１６は本実施例の入射回折格子の作成プロセスを示す摸式図である。図１６の上半分ではまず、予めＥＢ描画法等を用いてＳｉ等の上に凹凸パターンを形成した入射回折格子のマスター（母型）１６０１を準備する。２Ｐ法用の樹脂スタンパとなる母型３０１Ｒは以下により準備する。マスター１６０１の上に粘土やパターンの転写性等を考慮して選択したＵＶ硬化樹脂１６０２を滴下した後，透明基板１６０３を用いて(A)加圧する。ついで，(B)紫外線による露光，(C)剥離を順次行って，樹脂スタンパ３０１Ｒを準備する。ここで用いるＵＶ露光装置としてはコンベア式露光装置等を選択することができる。
　図１６の下半分では，予め射出成型法で出射回折格子を形成したポリカーボネート基板３０４Ｒの上に入射回折格子３０７Ｒを形成するプロセスを示す。樹脂スタンパ３０１Ｒの剥離性を高めるために，予め樹脂スタンパ表面に金属剥離層としてＴｉ膜等を３０ｎｍ程度成膜しておくとよい。
　出射回折格子３０３が形成された基板３０４Ｒに，ＵＶ硬化樹脂１６０４を滴下した後，(D)加圧，(E)紫外線による露光，(F)剥離を順次行い入射回折格子３０７Ｒを形成する。ここで用いるＵＶ硬化樹脂１６０４は，剥離性や転写性に加えて屈折率を考慮して，上述のＵＶ硬化樹脂１６０２と別のＵＶ硬化樹脂を用いることができる。
　一般のＵＶ硬化樹脂の屈折率は１．５程度であり，ポリカーボネートの屈折率１．５８との差が小さいため，下地の凹凸パターンにより発生する位相差が小さく，回折は１／１０以下に抑制される。しかしながら，画質を優先する場合，下地である出射回折格子３０３の凹凸パターンによる回折は限りなくゼロに近いことが好ましい。この場合には，選択するＵＶ樹脂として屈折率が基板材料に近いものを選択することが有効である。
　また，前述の反射コーティングは，後から形成した出射回折格子３０３の凹凸パターンに沿って成膜されるため，実効的に下地の出射回折格子の凹凸パターンの影響を小さくする効果も併せ持つ。また，入射回折格子３０７Ｒを形成する領域には，予め出射回折格子３０３を形成せずに平坦面としておく方法も有効である。さらには，入射回折格子３０７のＵＶ樹脂と基板材料との密着性を考慮して，例えば２４０ｎｍ程度以下で，可視光波長に対して回折しない条件の狭ピッチの凹凸パターンを形成する方法も効果をもつ。
　前述の試作素子では，ＵＶ樹脂はどちらも同じものを用いた。この後，前述の反射コーティング，ユーザが装着したときのシースルー性を高める目的で反射防止コーティング等を適宜形成する。また，射出成型で作成した基板の表面には，光ディスクで広く用いられるＳｉＯ２ナノ粒子等による撥水，撥油，傷防止処理を予め施しておくことも容易に適用可能である。
　次に，導光板に入射するビームの直径に応じて，本実施例の導光板の厚さに適正値があることを示す。入射するビームの直径および出射回折格子の回折効率以外のパラメータは上と同様である。
　図１７は，入射するビームの直径４ｍｍφの場合の網膜に投影される像の計算結果である。ここでは，出射回折格子の１次回折効率を１．７％とした。導光板の厚さＴを、（ａ）２．０ｍｍ、（ｂ）１．０ｍｍ、（ｃ）０．６ｍｍ、（ｄ）０．３ｍｍ、（ｅ）０．１ｍｍ、と変化させた結果である。
　図１７（ａ）にみられるように，導光板の厚さＴが２．０ｍｍの場合，出射回折格子による像の複製作用が回折パターンとして分離されていることが判る。導光板を薄くすることによって，上に述べた幾何的な理由により回折パターンの間隔が小さくなり，基板厚０．６ｍｍ以下では回折パターンが重なることが判る。
　図１８Ａおよび図１８Ｂに、投影される像の品質として，輝度のＲＭＳ値と最大値をまとめた結果を示す。
  図１８Ａに見られるように輝度のＲＭＳ値は基板厚が０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲において１０％以下となって良好であることが判る。一方で，図１８Ｂに見られるように、最大輝度は基板厚が薄いほど大きくなり，導光板の厚さが０．２ｍｍで最大となる。上の回折効率と同様に，導光板の厚さに関しても，最大輝度と輝度ムラはトレードオフの関係あり，用途に応じて適した値を選択することが可能である。
　図１９は，入射するビームの直径１ｍｍφの場合の網膜に投影される像の計算結果である。導光板の厚さＴを、（ａ）２．０ｍｍ、（ｂ）１．０ｍｍ、（ｃ）０．６ｍｍ、（ｄ）０．３ｍｍ、（ｅ）０．１ｍｍ、と変化させた結果である。
　投影光学系の大きさは概ね入射するビームの直径に比例すると考えてよいので，ここに示す結果は、本実施例の導光板を小型のヘッドマウントディスプレイに適応した場合のものである。ここでは，出射回折格子の１次回折効率を０．８５％とした。光線の伝搬角度は回折格子のピッチと入射光の角度と波長で定まるため，これらが一定の場合，光線が網膜に投影されるまでに出射回折格子と交差する回数は基板厚に反比例する。したがって，出射回折格子の回折効率を基板厚に略比例させて設定することにより，光利用効率を概ね一定とすることができる。
　図１９（ａ）に見られるように，導光板の厚が２．０ｍｍの場合，出射回折格子による像の複製作用が回折パターンとして分離されていることが判る。導光板を薄くすることによって，回折パターンの間隔が小さくなり，導光板の厚０．６ｍｍ以下では回折パターンが重なることが判る。
　図２０Ａおよび図２０Ｂに、輝度のＲＭＳ値と最大値をまとめた結果を示す。図２０Ａに見られるように輝度のＲＭＳ値は、基板厚が０．２ｍｍから０．５ｍｍの範囲において１０％以下となって良好であることが判る。一方で，図２０Ｂに見られるように最大輝度は導光板の厚が薄いほど大きくなる。これらの関係から，同様に用途に応じて適した導光板の厚さを選択することが可能である。
　以上のように，本実施例の導光板は，入射するビームの直径に応じて導光板の厚さと出射回折格子の回折効率を適切に選択することにより，輝度が高く，輝度ムラが小さなヘッドマウントディスプレイ向けの導光板を提供することができる。ここでは，画角が４０度と比較的広い場合について本実施例の作用を提示した。この場合，入射するビームの直径が１ｍｍから４ｍｍの範囲において，導光板の適切な厚さは０．２ｍｍから１．０ｍｍであり，両者には概略比例の関係がある。本実施例によれば，入射するビームの直径が，ここに例示した範囲を超える場合，この比例関係を利用して，適性な導光板の厚さを簡便に求めることができる。より詳細には，上と同様に本実施例で提示したシミュレーション方法を用いて，適正値を求めることが可能である。
　実施例４の図１７～図２０に示したように，本実施例に好適な導光板の厚さと出射回折格子の回折効率は，導光板に入射する映像情報を含む光線群であるビームの直径に応じて適正な値があることを示した。導光板内部を全反射しながら伝搬する光線の波数は，波長，入射角，導光板の屈折率，および入射回折格子のピッチで定まり，式(2)から式(7)で示される。回折次数ｍｎ＝１として、映像情報を含む光線が導光板の入射回折格子に垂直入射する場合の伝播角度θｐ０は次式(12)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　ここで、ｎｓは基板（導光板）の屈折率、Ｐは回折格子のピッチ、λは光線の波長である。上の例に従って，波長を５５０ｎｍ，回折格子のピッチを４４０ｎｍとし，導光板の屈折率を１．５８とすると、θｐ０は５２．３°となる。導光板の厚さがｔのとき，光線と出射回折格子が交差する点の間隔Ｌは，以下の式(13)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　図２１は導光板（基板）の厚さとビーム間隔Ｌの関係を示す例である。光源の波長の広がりの効果を除いて考えると，導光板に入射するビームの直径がＬに比較して小さい場合，ユーザが認識する映像情報は図１７（ａ）のように不連続な輝点パターンとなる。すなわち、図２１はビームの直径が一定の前提では、導光板の厚さが厚くなると画質が劣化することを示している。
　ここでは，導光板の厚さと出射回折格子の回折効率とユーザが認識する像の品質の関係を示すため，入射するビームの直径がＬに等しい場合について考察する。図１７から図２０に例示したのと同様な計算を実施して，導光板の厚さに対して輝度が最大となる出射回折格子の回折効率，および輝度ムラ（輝度ＲＭＳ値）が最小となる出射回折格子の回折効率を，それぞれ求めた。
　図２２に結果を示す。図１３に示したように，出射回折格子が矩形の場合の回折効率の最大値は７．５％である。また，本実施例の光ディスクのプロセスを活用するという観点から，導光板の厚さの下限は，Ｂｌｕ－ｒａｙ Ｄｉｓｃのカバー層の厚さ０．１ｍｍが実現性の点から現実的である。図中，斜線で示した領域は，輝度が最大から輝度ムラが最小となる回折効率の範囲であって，かつ回折効率の最大値７．５％以下で，導光板の厚さの下限を０．１ｍｍとする範囲である。すなわち，図２２中の斜線領域は，本実施例に好適な導光板の厚さと出射回折格子の回折効率の範囲を，より詳細に示すものである。
　図２２より，用途に応じて出射回折格子の回折効率を適宜設定した場合，本実施例に好適な導光板の厚さは０．１ｍｍから４．０ｍｍの範囲にあることが判る。前述のように，出射回折格子の回折効率の好適な範囲は光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するという観点から，０．１％～１０％，好ましくは０．２％～７．５％の１次回折効率を有することが望ましいとしたが，図２２に示すように，導光板の厚さ０．１ｍｍから４．０ｍｍの範囲において，好適な回折効率の範囲の計算結果は０．２％から７．５％であり，前述の範囲に一致することが判る。光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため、さらに好ましくは０．５％から５．０％である。この場合、基板厚さは０．５ｍｍ～３ｍｍ程度に薄くできる。
　以上，導光板の材質としてポリカーボネートを用い，出射回折格子の断面形状として矩形形状の導光板について本実施例に好適な各パラメータについて示した。本実施例では，他にアクリル樹脂や一般に眼鏡レンズに用いられる高屈折率のプラスチック材料（屈折率≧１．７０）を導光板の材料として用いることができる。また，出射回折格子の断面形状としては，正弦波形状や三角形，台形等任意の形状を用いることも可能である。導光板の屈折率や出射回折格子の断面形状の影響は図２２に示した本実施例を実施するのに好適な範囲に対して，概ねプラスマイナス２０％程度の領域シフトになると考えられる。
　さて，導光板は入射した画像情報を含む光線を内部で全反射導光しながら複製し，ユーザに視認可能な光線を出射するものであるため，少なくとも自重により大きくたわまないだけの機械的強度が求められる。導光板がたわんで，入射回折格子と出射回折格子の平行度がそこなわれると，両者のなす角度だけ，ユーザに認識される画像情報がひずむからである。上では，本実施例に好適な導光板の厚さはＢｌｕ－ｒａｙ Ｄｉｓｃのカバー層の厚さ０．１ｍｍが現実的な下限であるとした。０．１ｍｍ厚のプラスチック素材は自重でたわむことが避けられない。
　これを避けるための，本実施例の導光板の構成を以下に示す。これまでの計算は，導光板の片側表面に出射回折格子を形成した場合について求めたものである。このとき，光線と出射回折格子が交差する間隔Ｌは式(13)で表される。入射するビームの直径Ｄに対して，Ｄ＜＜Ｌの場合には，視認される画像は不連続な輝点パターンとなる。導光板の厚さｔを薄くすることにより，Ｌが比例して小さくなるため，画像の品質が向上することは図１７に示したとおりである。
　図２３は，本実施例の導光板の構成を示す実施例である。ここでは，出射回折格子のみを示しており，１枚のプラスチック基板と４つの出射回折格子を一体化した例を示している。図中，１１は基板，１２，１４，１６，１８は出射回折格子，１３，１５，１７は透明なスペーサ層である。
　本構成によれば，出射回折格子１２，１４，１６，１８の間隔はスペーサ層の間隔に一致し，これを０．１ｍｍ厚とする。 (式１３)における導光板の厚さｔは，光線と出射回折格子が交差するまでに，導光板の厚さ方向に移動した距離２ｔの１／２である。したがって，本構成においては，ｔの最小値がスペーサ層の厚さに一致させることができ，上の議論から画像の品質向上に効果的であることが判る。
　図２３に示した本実施例の導光板の構成は，基本的に多層Ｂｌｕ－ｒａｙ Ｄｉｓｃの規格と同様であり，同様なプロセスを用いて作成することが容易である。このとき，出射回折格子１２は基板１１の上に射出成型法により形成し，その上にスペーサ層１３，出射回折格子１４を２P法で形成する。これを繰り返して，順次，スペーサ層１５，出射回折格子１６，スペーサ層１７，出射回折格子１８を順次形成すればよい。また、Ｂｌｕ－ｒａｙ ＤｉｓｃやＤＶＤの多層ＲＯＭ媒体では，回折格子パターンが形成された各情報保持層（本実施例の出射回折格子に対応）の形成後に，誘電体反射膜や薄い金属薄膜等を形成して反射率を所定の値に制御している。
　本実施例の導光板の場合，誘電体反射膜や薄い金属薄膜を出射回折格子の上に形成することによって，回折効率を制御することができる。このとき，出射回折格子の回折効率は，波動理論から形成した反射膜の反射率に略比例するため，容易に膜厚の設計が可能である。本実施例は，導光板の厚さの概念を拡張したものであり，透明なプラスチック基板上に形成された２層以上の出射回折格子を形成することにより，機械的強度を保ちながら，出射回折格子の厚さ方向の間隔を小さくすることにより，ユーザが認識する画像の品質を向上するものである。本実施例によって形成可能な出射回折格子の層の数の上限は概略８層となる。
　図２４Ａおよび図２４Ｂは、本実施例に好適な入射回折格子を示すシミュレーション結果である。ここでは光源の波長５５０ｎｍ，回折格子のピッチ４４０ｎｍ，基板の屈折率１．５８として計算を行った。光利用効率の観点で入射回折格子には高い回折効率が求められる。
　「特許文献２」に記載されるオーバハングした三角形の回折格子は，入射光を透過回折により高効率で導光板にカップリングすることができる優れた技術である。一方，図１６Ａおよび図１６Ｂに示した実施例の入射回折格子の作成方法では，オーバハングした形状を作成することは困難である。ここでは，射出成型法や２Ｐ法等で作成することができるオーバハングしない通常の三角形の形状をもつブレーズ型回折格子について検討した。
　図２４Ａは「特許文献２」と同じ透過型の回折格子のシミュレーション結果である。映像光線２４０１は左から入射する構成であり，図の右半分が基板２４０２を表している。基板２４０２表面に，回折格子を示す三角形状の凹凸パターンが見える。透過型の回折格子では，ブレーズ面による屈折と周期構造による回折が位相同調する条件で最大の回折効率が得られる。図に示すように，これを実現するには凹凸パターンの高さが大きい必要があり，パターンの角度は７０度から８０度，パターンの高さを周期で割ったアスペクト比は１０以上が必要である。一般に，２Ｐ法による凹凸パターンの転写では，アスペクト比が２を超えると剥離性等の問題が生じて，量産時の歩留りが低下する。ここに示した透過型の回折格子は本実施例の入射回折格子としては適していないことが判る。
　図２４Ｂは反射型の回折格子のシミュレーション結果である。映像光線２４０１は同様に左から入射する構成であり，図の左半分が基板２４０２を表している。基板２４０２表面に，回折格子を示す三角形状の凹凸パターンが見える。反射型の回折格子では，ブレーズ面による反射と周期構造による回折による位相同調する条件で最大の回折効率が得られる。図に見られるように，透過型に比較して，低いアスペクト比の凹凸パターンでこの条件が満たされることが判る。このときの凹凸パターンの高さは約２５０ｎｍであり，アスペクト比は約０．５７である。前述の試作素子では，パターン高さが３７４ｎｍの三角形状の凹凸パターンを良好に転写可能なことであった。本実施例の導光板には，反射型回折格子を用いることが好ましいことと言える。
　図１４Ａおよび図１４Ｂに示した結果から，出射回折格子の回折効率が一定の場合，投影像の輝度と輝度ムラがトレードオフの関係にあることを示した。ここでは，輝度が高く，輝度ムラが小さい本実施例の導光板に好適な出射回折格子の構成について示す。以下，光源の波長５５０ｎｍ，回折格子のピッチ４４０ｎｍ，基板の屈折率１．５８，基板の厚さ０．６ｍｍとして計算を行った。
　図２５Ａおよび図２５Ｂは導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果である。図中，入射回折格子はｙ方向下側に配置され，ｙ方向上側にユーザの目に相当する瞳が配置される。図２５Ａは投影像の中央部に至る光線の強度分布を示している。図中の出射円Ｏは，瞳に到達する光線が出射回折格子上で最後に回折した領域を示す。入射回折格子からｙ方向に向かう直線上の輝度の高い領域は，入射回折格子で回折され導光板内部を伝搬する主たる光線群（以下，主光線群）を示す。主光線群の伝播方向を矢印２５１で示す。
　図２５Ａに見られるように，主光線群の伝搬によって強度が次第に減衰する特性をもつ。主光線群の周辺に広がる輝度の低い光線群は，出射回折格子により回折されｘ－ｙ面内で進行方向が偏向された光線群である。この条件ではｘ－ｙ面内で出射円Ｏと瞳は一致していることが判る。したがって，瞳に到達して画像として認識されるのは，強度の強い主光線群の一部である。
　図２５Ｂは投影像の右下端に至る光線の強度分布を示す。ここでは，理解を容易にするため，目のレンズ作用による画像の反転と網膜に投影されたイメージを脳で処理してさらに反転させて認知する効果を割愛し，視野の右下端に認識される画像は，右下端に向う波数ベクトルをもつとして表示している。
　図に見られるように，主光線群は入射回折格子から右上に向って進行する。また，出射円Ｏと瞳Ｐはｘ－ｙ面内で一致せず，瞳に届いて画像として認識される光線は，主光線群から左上方向に偏向されたものであることが判る。したがって，瞳Ｐに至って画像として認識される光線は図２５Ａの場合に比較して強度が低くなる。以上が，導光板を用いて像を投影する場合の輝度ムラが発生する理由の１つである。他に，入射する映像ビームの直径，ＲＧＢ導光板の間のクロストーク，入射回折格子の－１次回折，回折格子のピッチと凹凸パターンの高さの不均一幅性による散乱などが，輝度ムラの原因として大きなものである。本実施例では図に示した主光線群と出射円の不一致による輝度ムラの改善方法を以下に提供する。
　図２６Ａおよび図２６Ｂは，本実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図である。図では，図２５Ａおよび図２５Ｂのシミュレーション結果に重ねて解決方法を摸式的に示している。図中，１００は導光板，２１０および２２０は出射回折格子の一部に設けた回折効率増強領域である。図に示すように，視認される画像の位置によって，導光板内を伝播する主光線群の進行方向が異なる。
　これを利用して，図２６Ｂの場合，主光線群は回折効率増強領域２１０により，出射円の方向へ強く回折することにより，出射円に至る光線の強度を強くすることが可能となり，輝度ムラを改善することができる。
　図２６Ａに示すように，回折効率増強領域は，画像の中央に向う主光線群と一致しない領域に形成することが好ましい。これは，前述のＥＢ描画装置等でマスターを作成する際に，グレーティングを形成する凹凸のデューティ比や高さを制御することで実現できる。
　「特許文献１」の図３に説明されている導光板では，導波路、および、３つの線形回折格子Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２を備えている。入射光線は回折格子Ｈ０を照射し、この光は導波路へと結合される。導波路に形成されている２つの格子Ｈ１、Ｈ２は、互いの上に重なっている。「特許文献１」の知見を利用すると、本実施例は回折効率増強領域２１０には回折格子Ｈ１のみを形成し，回折効率増強領域２２０には回折格子Ｈ２のみを形成することによっても実現できる。ＥＢ描画装置ではＨ１とＨ２を同一面内にパターニングして，２つの波数ベクトルをもつ回折格子を形成することも容易であり，射出成型法により導光板を安価に提供することを目的とする本実施例には，１つの面に出射回折格子を形成した導光板が，光ディスクのプロセスを活用するという点において適していると言える。
　図２７は本実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す別の摸式図である。ここでは，図２５Ａにおける主光線群の伝搬によるｙ方向の強度減衰に着目した解決法を提供する。図２７は，投影像のｙ方向のピクセル位置と輝度との関係を上と同じ条件で計算した結果である。図に見られるように，出射回折格子が面内に一様な回折効率を持つ場合は，入射回折格子から出射円までの伝搬長に応じて，ｙ方向のピクセル位置が大きくなる（投影像の上側）に従って，画像の輝度減衰が発生する（特性２７０１）。一方で，この減衰が緩やかな場合，線形近似で出射回折格子の回折効率を面内で補正することによって，投影像の輝度ムラを改善することができる（特性２７０２）。
　図２８は，画像形成手段であるプロジェクタ２８１で形成される像の輝度ムラを軽減する、本実施例の導光板を示す摸式図である。図中，３００は導光板，３０７は入射回折格子，３０３は出射回折格子を示す。出射回折格子の凹凸パターンの拡大図をあわせて示す。図に見られるように，出射回折格子の凹凸パターンのデューティをｙ方向（光の伝播方向）に変化させることにより，回折効率に分布を付与することにより，図２７に示した輝度ムラの改善が可能となる。
　マスターの作成には半導体プロセス技術を応用する場合，ＥＢ描画法や縮小露光法によりレジストを所定のパターンで露光した後，洗浄，エッチングを順次実施して，Ｓｉ基板の表面に凹凸パターンを形成する。このとき，レジストはスピンコーティング法等により厚さを一様に塗布されること，露光に用いる電子や光子は，レジストの厚さ方向に対して吸収率分布をもつこと，から凹凸パターンは一様な高さをもつことが好ましい。前述のように，回折格子の回折効率は凹凸パターンにより付与される位相差に応じて制御されるものであり，これは凹凸パターンのデューティを変化させることによっても制御することができる。以上により，本実施例の導光板に好適な回折効率の面内分布の付与の方法としては，凹凸パターンのデューティを面内で変調する方法が適していると言える。
　図２９は，本実施例の導光板を用いた別の実施例である。本実施例の導光板３００は回折格子による回折の対称性により，プロジェクタ２８１と反対側にユーザの目がある場合にも画像を投影することが可能である。この場合，図示しないプロジェクタ内の液晶素子の投影パターンを上でミラー反転させることにより，容易にユーザは画像を認識できる。
　図３０は、本実施例の画像表示装置の構成を示す摸式図である。図中のプロジェクタ２８１から出射した画像情報をもつ光は，Ｂ，Ｇ，Ｒの各導光板３００Ｂ，３００Ｇ，３００Ｒの作用によりユーザ４００に届けられ，拡張現実を実現する。Ｂ，Ｇ，Ｒの各導光板は，図３に示した実施例の導光板を図１５に示したように組み合わせたものであり，形成される回折格子のピッチと深さは，各色に応じて最適化されたものである。
　図３０において，本実施例の画像表示装置は導光板３００Ｂ，３００Ｇ，３００Ｒ，画像形成手段としてプロジェクタ２８１，および図示しない表示画像制御部からなる。ここで導光板モジュール３００１は図１５に示したように，カラ―表示に対応して，Ｒ，Ｇ，Ｂ，それぞれの導光板を一体化したものである。また，画像形成手段としては，例えば、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置，有機および無機ＥＬ（Electro Luminescence）素子アレイとレンズによる画像形成装置、発光ダイオードアレイとレンズによる画像形成装置，光源と半導体ＭＥＭＳミラーアレイとレンズを組み合わせた画像形成装置等，広く公知の画像形成装置を用いることができる。また，ＬＥＤやレーザ光源と光ファイバの先端をＭＥＭＳ技術やＰＺＴ等により共振運動させたものを用いることもできる。これらの中で，最も一般的なものは、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置である。ここで、空間光変調装置として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を挙げることができ、光源としては白色光源をＲＧＢ分離して用いることも，各色対応のＬＥＤやレーザを用いることもできる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてレンズを用いたコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。
　光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、上で示した１２８０ｘ７２０のほかに，３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０を例示することができる。
　本実施例の画像表示装置では，プロジェクタ２８１から出射した映像情報を含む光線が，導光板３００Ｂ，３００Ｇ，３００Ｒの各入射回折格子に照射されるように，位置決めして，導光板モジュール３００１と一体化されて形成される。
　また，図示しない表示画像制御部は，プロジェクタ２８１の動作を制御して，ユーザ４００に適宜，画像情報を提供する機能を果たす。
　本実施例では，ユーザに画像情報を提供する場合について示したが，本実施例の画像表示装置は，このほかにユーザや外界の情報を取得するためのタッチセンサ，温度センサ，加速度センサ等の各種センサや，ユーザの目の動きを計測するためのアイ・トラッキング機構を備えることが可能である。
　以上説明した実施例によれば，広い視野角の実現に有利な「特許文献１」～「特許文献３」に記載されている凹凸型回折格子を有する導光板（画像表示素子）とそれを用いた画像表示装置を低コスト化，および軽量化してユーザに提供することができる。
　以上説明した実施例によれば、光ディスクの製造技術を活用した低コスト化と，プラスチック化による軽量化を実現した導光板を提供することができる。コストに関しては概ね１／１０～１／１００，重さに関しては概ね１／２以下が目安となる。また，導光板のプラスチック化により，ユーザが装着した際に，思わぬ外力による衝撃を受けた場合，プラスチックはガラスに比較して飛散しにくい特性があるため，安全性が向上するという付帯的な効果も実現される。
  また，特許文献６に記載されている，車載用途向けのヘッドアップディスプレイ（HUD）は，図１に見られるように，本発明のヘッドマウントディスプレイとほぼ同じ構造により，運転者に適切な情報を提示することができる。したがって，本発明の導光板は，ヘッドアップディスプレイにも容易に応用することが可能である。
　小型・軽量で拡張現実の表示が可能な画像表示素子および装置に利用できる。
３００：導光板
３０７：入射回折格子
３０３：出射回折格子

Claims (15)

  1. 　第１の樹脂からなる第１の部材と、
    　前記第１の部材の少なくとも一部の上に形成された第２の樹脂からなる第２の部材と、
    　を備え、
    　前記第１の樹脂と前記第２の樹脂は異なる樹脂であり、
    　前記第１の部材には第１のパターンからなる第１の回折格子が形成され、
    　前記第２の部材には第２のパターンからなる第２の回折格子が形成され、
    　前記第１のパターンと前記第２のパターンは異なるパターンである、
    　導光板。
  2. 　前記第１のパターンと前記第２のパターンは、
    　形状、アスペクト、高さ、デユーティー、パターニング領域面積の少なくとも一つが異なる、
    　請求項１記載の導光板。
  3. 　前記第１の樹脂はポリカーボネートまたはアクリル樹脂、
    　前記第２の樹脂は光硬化樹脂である、
    　請求項１記載の導光板。
  4. 　前記第１のパターンのピッチが、４００ｎｍ～４５０ｎｍである、
    　請求項１記載の導光板。
  5. 　前記第１の樹脂はポリカーボネート、
    　前記第１のパターンのピッチが、３６０ｎｍ～５２０ｎｍ、
    　前記第１のパターンの高さが、２０ｎｍ～１００ｎｍである、
    　請求項１記載の導光板。
  6. 　前記第２の樹脂は光硬化樹脂、
    　前記第２のパターンは三角形、
    　前記第２のパターンのピッチが、３６０ｎｍ～５２０ｎｍ、
    　前記第２のパターンの高さが、１００ｎｍ～４００ｎｍである、
    　請求項１記載の導光板。
  7. 　前記第１の部材が厚さ０．１ｍｍ～４．０ｍｍの基板を構成し、
    　前記第１の回折格子の１次回折効率が０．１％～７．５％である、
    　請求項１記載の導光板。
  8. 　前記第１の回折格子の１次回折効率が０．５％～５．０％である、
    　請求項７記載の導光板。
  9. 　前記第１の回折格子の一部に、回折効率増強領域を設けた、
    　請求項１記載の導光板。
  10. 　前記第１の回折格子が、前記第１のパターンのデューティを光の伝播方向に沿って変化させることにより，回折効率に分布を付与したものである、
    　請求項１記載の導光板。
  11. 　前記第２の回折格子の１次回折効率が３０％～７０％である、
    　請求項１記載の導光板。
  12. 　請求項１記載の導光板を複数備え、複数の導光板のそれぞれは所定の波長に対応した、互いに異なる前記第１のパターンを有し、複数の前記導光板を積層して形成した、
    　導光板モジュール。
  13. 　前記複数の導光板の前記第１のパターンは、ピッチ３００ｎｍ～５５０ｎｍの範囲で、異なるピッチに設定される、
    　請求項１２記載の導光板モジュール。
  14. 　請求項１記載の導光板と、
    　映像を投影するプロジェクタとを備え、
    　前記プロジェクタの出射光が，前記第２のパターンを照射するように配置されている、
    　画像表示装置。
  15. 　ポリカーボネートあるいはアクリル樹脂で形成され、表面に第１の回折格子パターンを有する基板を準備する第１の工程と、
    　前記第１の回折格子パターンの上に、光硬化樹脂を配置する第２の工程と、
    　前記光硬化樹脂に第２の回折格子パターンを転写する第３の工程と、
    　前記光硬化樹脂を硬化させる第４の工程と、
    　を有することを特徴とする導光板の製造方法。
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