WO2020203642A1 - Optical element and image display device - Google Patents
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Abstract
Provided are a small-sized and lightweight optical element whereby an image can be projected in a plurality of directions, and an image display device. The present invention provides an optical element comprising a light-incidence surface, a plurality of side surfaces perpendicular to the light-incidence surface, a light guide part having a back surface facing the light-incidence surface, and a plurality of diffraction grating parts formed on at least two surfaces selected from among the side surfaces and the back surface.
Description
本発明は、光学素子および画像表示装置に関し、特に回折格子を用いた光学素子および画像表示装置に関する。
The present invention relates to an optical element and an image display device, and more particularly to an optical element and an image display device using a diffraction grating.
従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
Conventionally, as a device for displaying various information in a vehicle, an instrument panel that lights and displays an icon has been used. Further, as the amount of information to be displayed increases, it is also proposed to embed an image display device in the instrument panel or to configure the entire instrument panel with the image display device.
しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため安全上好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
However, since the instrument panel is located below the windshield of the vehicle, it is necessary to move the line of sight downward while driving in order for the driver to visually recognize the information displayed on the instrument panel, which is preferable for safety. Absent. Therefore, a head-up display (hereinafter, HUD: Head Up Display) that projects an image on the windshield so that the driver can read the information when he / she visually recognizes the front of the vehicle has also been proposed (for example, a patent document). See 1).
図６は、従来技術のＨＵＤに用いられる光学素子の構造を示す模式図である。ＨＵＤ内には、導波路部１と、回折格子部２と、反射膜３ａ，３ｂとを備えた光学素子が収容されている。導波路部１には、傾斜端面１ａと裏面１ｂと表面１ｃが形成されており、内部に回折格子部２が設けられている。また、裏面１ｂと表面１ｃには反射膜３ａ，３ｂが形成されている。回折格子部２は、導波路部１とは屈折率が異なる材料で構成され、所定間隔で凹凸が形成されたブレーズドグレーティングである。
FIG. 6 is a schematic view showing the structure of the optical element used in the HUD of the prior art. An optical element including a waveguide portion 1, a diffraction grating portion 2, and reflective films 3a and 3b is housed in the HUD. The waveguide portion 1 is formed with an inclined end surface 1a, a back surface 1b, and a front surface 1c, and a diffraction grating portion 2 is provided inside. Further, reflective films 3a and 3b are formed on the back surface 1b and the front surface 1c. The diffraction grating portion 2 is a blazeed grating made of a material having a refractive index different from that of the waveguide portion 1 and having irregularities formed at predetermined intervals.
図６に示したように、光源部（図示省略）から照射された入射光Ｌｉｎは、導波路部１に入射した後に傾斜端面１ａで反射される。傾斜端面１ａで反射された入射光Ｌｉｎは導波路部１内を進み、裏面１ｂと表面１ｃの反射膜３ａ，３ｂで繰り返し反射されて回折格子部２に到達する。回折格子部２に到達した光は、回折格子部２の回折条件によって決まる方向に出射光Ｌｏｕｔとして照射される。ここで、回折格子部２の回折条件は、光の波長と回折格子部２のピッチ、導波路部１と回折格子部２の屈折率差、回折格子部２に光が到達する角度などによって決定される。
As shown in FIG. 6, the incident light L in emitted from the light source unit (not shown) is reflected by the inclined end face 1a after entering the waveguide portion 1. The incident light Lin reflected by the inclined end surface 1a travels in the waveguide portion 1, is repeatedly reflected by the reflective films 3a and 3b of the back surface 1b and the front surface 1c, and reaches the diffraction grating portion 2. The light that has reached the diffraction grating portion 2 is irradiated as emitted light L out in a direction determined by the diffraction conditions of the diffraction grating portion 2. Here, the diffraction condition of the diffraction grating portion 2 is determined by the wavelength of light, the pitch of the diffraction grating portion 2, the difference in refractive index between the waveguide portion 1 and the diffraction grating portion 2, the angle at which the light reaches the diffraction grating portion 2, and the like. Will be done.
しかし従来の車載用ＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が困難であった。また、従来の回折格子を用いたＨＵＤでは、画像の投影先は一方向に限定されていた。そのため、従来の回折格子を用いた画像表示装置では、車両運転時における運転者の様々な状況に対応できず、例えば車両の後退時に後方を振り返った場合等に情報を視認することができなかった。
However, in the conventional in-vehicle HUD, an optical device for projecting an image on a wide range of the windshield is required, and it is difficult to reduce the size and weight of the optical device. Further, in the HUD using the conventional diffraction grating, the projection destination of the image is limited to one direction. Therefore, the conventional image display device using a diffraction grating cannot cope with various situations of the driver when driving the vehicle, and cannot visually recognize the information, for example, when looking back when the vehicle is moving backward. ..
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能な光学素子および画像表示装置を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an optical element and an image display device that are compact, lightweight, and capable of projecting an image in a plurality of directions.
上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、光入射面と、前記光入射面に対して垂直な複数の側面と、前記光入射面に対向する裏面とを有する導光部と、前記側面および前記裏面から選択された少なくとも２面以上の表面に形成された複数の回折格子部を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the optical element of the present invention includes a light guide portion having a light incident surface, a plurality of side surfaces perpendicular to the light incident surface, and a back surface facing the light incident surface. It is characterized by comprising a plurality of diffraction grating portions formed on at least two or more surfaces selected from the side surface and the back surface.
このような本発明の光学素子では、光入射面から導光部に入射した光が、複数の回折格子部によって所定方向に照射されるため、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能となる。
In such an optical element of the present invention, the light incident on the light guide portion from the light incident surface is irradiated in a predetermined direction by a plurality of diffraction grating portions, so that the image can be projected in a plurality of directions with a small size and light weight. Is possible.
また、本発明の一態様では、前記側面および前記裏面のうち、前記回折格子部が形成されていない面には、反射膜が形成されている。
Further, in one aspect of the present invention, a reflective film is formed on the side surface and the back surface on which the diffraction grating portion is not formed.
また、本発明の一態様では、前記光入射部は、第１光入射部と第２光入射部を有し、前記第１光入射部から入射した第１光が最初に到達する第１回折格子部と、前記第２光入射部から入射した第２光が最初に到達する第２回折格子部とが異なっている。
Further, in one aspect of the present invention, the light incident portion has a first light incident portion and a second light incident portion, and the first diffraction that the first light incident from the first light incident portion reaches first. The grating portion and the second diffraction grating portion where the second light incident from the second light incident portion first arrives are different.
また、本発明の一態様では、前記第１回折格子部および前記第２回折格子部は、前記側面に形成されている。
Further, in one aspect of the present invention, the first diffraction grating portion and the second diffraction grating portion are formed on the side surface.
また、本発明の一態様では、前記光入射面にはプリズムが配置され、前記プリズムと前記光入射面との間には間隙が設けられている。
Further, in one aspect of the present invention, a prism is arranged on the light incident surface, and a gap is provided between the prism and the light incident surface.
また、本発明の一態様では、前記回折格子部は、前記導光部とは屈折率が異なる誘電体で構成されている。
Further, in one aspect of the present invention, the diffraction grating portion is composed of a dielectric material having a refractive index different from that of the light guide portion.
また、本発明の画像表示装置は、上記何れか一つの光学素子と、前記光入射面に対して光を照射する光源部を備え、前記側面に形成された前記回折格子部と前記導光部との界面で前記光の一部が反射して他の前記回折格子部に到達することを特徴とする。
Further, the image display device of the present invention includes any one of the above optical elements and a light source unit that irradiates the light incident surface with light, and the diffraction grating unit and the light guide unit formed on the side surface thereof. A part of the light is reflected at the interface with the light and reaches the other diffraction grating portion.
本発明では、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能な光学素子および画像表示装置を提供することができる。
The present invention can provide an optical element and an image display device that are compact and lightweight and can project an image in a plurality of directions.
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光学素子１０の構造示す模式斜視図である。図１に示すように光学素子１０は、導光部１１と、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、プリズム１３を備えている。なお図１は、光学素子１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は光学素子１０における実寸を示すものではない。 (First Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. FIG. 1 is a schematic perspective view showing the structure of theoptical element 10 in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the optical element 10 includes a light guide unit 11, diffraction grating units 12a, 12b, 12c, and a prism 13. Note that FIG. 1 schematically shows the structure of the optical element 10, and the dimensions and angles in the figure do not show the actual size of the optical element 10.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光学素子１０の構造示す模式斜視図である。図１に示すように光学素子１０は、導光部１１と、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、プリズム１３を備えている。なお図１は、光学素子１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は光学素子１０における実寸を示すものではない。 (First Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. FIG. 1 is a schematic perspective view showing the structure of the
導光部１１は、光を透過する材料で構成された略板状の部分であり、図２に示すように、光入射面１１ｉと、側面１１ａ，１１ｃと、裏面１１ｂを備えている。導光部１１のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１０ｍｍ、厚さｔ＝１０ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光部１１を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ２を主成分とする屈折率１．５程度のガラスを用いることが好ましい。
The light guide portion 11 is a substantially plate-shaped portion made of a material that transmits light, and includes a light incident surface 11i, side surfaces 11a and 11c, and a back surface 11b as shown in FIG. The size of the light guide unit 11 is not limited, and examples thereof include a width d = 10 mm and a thickness t = 10 mm. The material constituting the light guide portion 11 is not limited, but for example, it is preferable to use glass containing SiO 2 as a main component and having a refractive index of about 1.5.
光入射面１１ｉは、光学素子１０の外部に配置された光源からの光が入射する平坦面であり、側面１１ａ，１１ｃに対して略垂直に形成され、裏面１１ｂに対向している。側面１１ａ，１１ｃは、互いに対向するとともに表面に回折格子部１２ａ，１２ｃが形成される平坦面であり、光入射面１１ｉと裏面１１ｂに対して略垂直に形成されている。裏面１１ｂは、表面に回折格子部１２ｂが形成される平坦面であり、光入射面１１ｉに対向している。
The light incident surface 11i is a flat surface on which light from a light source arranged outside the optical element 10 is incident, is formed substantially perpendicular to the side surfaces 11a and 11c, and faces the back surface 11b. The side surfaces 11a and 11c are flat surfaces that face each other and have diffraction grating portions 12a and 12c formed on the front surface, and are formed substantially perpendicular to the light incident surface 11i and the back surface 11b. The back surface 11b is a flat surface on which the diffraction grating portion 12b is formed, and faces the light incident surface 11i.
回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれ側面１１ａ、裏面１１ｂ、側面１１ｃの表面に形成された略板状の部分であり、導光部１１とは屈折率が異なる材料で構成されている。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの表面には、複数の凸部と凹部が周期的に形成されており、回折格子を構成している。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの凸部と凹部は、それぞれ光入射面１１ｉに平行な方向にストライプ状に延伸して形成されている。
The diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c are substantially plate-shaped portions formed on the surfaces of the side surface 11a, the back surface 11b, and the side surface 11c, respectively, and are made of a material having a refractive index different from that of the light guide portion 11. A plurality of convex portions and concave portions are periodically formed on the surface of the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c to form the diffraction grating. The convex portions and concave portions of the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c are formed by extending them in a stripe shape in a direction parallel to the light incident surface 11i, respectively.
図１では回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの凸部および凹部が光入射面１１ｉに平行な例を示したが、後述する入射光Ｌ１の回折条件を満たすように設計されていれば光入射面１１ｉに平行である必要はない。例えば、斜めに入射する入射光Ｌ１に対して垂直な方向にストライプ状に延伸するとしてもよい。また、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは同一の材料で構成してもよく、それぞれ異なる材料で構成するとしてもよい。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの材料を異ならせると、導光部１１との界面における屈折率差を異ならせて、界面での反射率と回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ内への入射角を変化させることができ、さらに光学的設計の自由度が向上する。
Figure 1, the diffraction grating portion 12a, 12b, although projections and recesses 12c is an example parallel to the light incident surface 11i, light incident if it is designed to satisfy the diffraction condition of the incident light L 1 to be described later It does not have to be parallel to the surface 11i. For example, it may be stretched in a stripe shape in a direction perpendicular to the incident light L1 incident at an angle. Further, the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c may be made of the same material, or may be made of different materials. When the materials of the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c are different, the difference in the refractive index at the interface with the light guide portion 11 is different, and the reflectance at the interface and the incident angle into the diffraction grating portions 12a, 12b, 12c are different. Can be changed, and the degree of freedom in optical design is improved.
回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃを構成する材料は限定されないが、導光部１１との屈折率差が大きな材料を用いることが好ましく、例えばＴｉＯ２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体を用いることが好ましい。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃのサイズは特に限定されないが、面内方向にも光を導波できる厚さを有することが好ましい。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは公知の方法で形成することができ、例えばナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。
The material constituting the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c is not limited, but it is preferable to use a material having a large difference in refractive index from the light guide portion 11, for example, a refractive index of about 2.5 containing TiO 2 as a main component. It is preferable to use a dielectric. The size of the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c is not particularly limited, but it is preferable that the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c have a thickness capable of guiding light in the in-plane direction. The diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c can be formed by a known method, and for example, nanoimprint technology, EBL (Electron Beam Lithography) technology, and the like can be used.
プリズム１３は、光入射面１１ｉの近傍に配置され断面三角形状の光学要素である。また、光入射面１１ｉとプリズム１３との間には間隙が設けられており、光入射面１１ｉとプリズム１３との間に空気層が介在している。プリズム１３を構成する材料は限定されないが、光源からの光を効率よく導光部１１に入射させるためには、プリズム１３と導光部１１の屈折率を同程度にすることが好ましく、導光部１１と同じ材料を用いることが好ましい。
The prism 13 is an optical element having a triangular cross section arranged in the vicinity of the light incident surface 11i. Further, a gap is provided between the light incident surface 11i and the prism 13, and an air layer is interposed between the light incident surface 11i and the prism 13. The material constituting the prism 13 is not limited, but in order for the light from the light source to be efficiently incident on the light guide portion 11, it is preferable that the refractive indexes of the prism 13 and the light guide portion 11 are about the same, and the light guide is provided. It is preferable to use the same material as part 11.
光入射面１１ｉとプリズム１３との間に設けられた間隙の幅は、光の波長程度であることが好ましい。図１に示した例では間隙に空気層が介在しているが、プリズム１３と導光部１１との光結合効率を向上させるために、導光部１１と屈折率が近い透明な接触液を間隙に充填するとしてもよい。また、図１では間隙を空けてプリズム１３を配置した例を示したが、間隙を設けず両者を接触させるとしてもよい。また、光学散乱の影響による光結合効率の低下が許容範囲である場合には、プリズム１３を用いずに光入射面１１ｉから導光部１１に光を直接入射させるとしてもよい。
The width of the gap provided between the light incident surface 11i and the prism 13 is preferably about the wavelength of light. In the example shown in FIG. 1, an air layer is interposed in the gap, but in order to improve the optical coupling efficiency between the prism 13 and the light guide portion 11, a transparent contact liquid having a refractive index close to that of the light guide portion 11 is used. The gap may be filled. Further, although FIG. 1 shows an example in which the prisms 13 are arranged with a gap, they may be brought into contact with each other without providing a gap. Further, when the decrease in the light coupling efficiency due to the influence of optical scattering is within the allowable range, the light may be directly incident on the light guide portion 11 from the light incident surface 11i without using the prism 13.
次に、図２を用いて光学素子１０における光路について説明する。図２は、光学素子１０を用いた画像表示装置の構成と光路を示す模式断面図である。図２に示すように、本実施形態の画像表示装置では、光学素子１０と、コリメートレンズ１４と、光源１５を備えている。光源１５からは、光学素子１０に向けてレーザ光が照射され、コリメートレンズ１４を介してプリズム１３にコリメート光が入射する。コリメート光はプリズム１３の一面に入射し、プリズム１３内部を透過して間隙側の面から間隙に抜ける。ここで、光入射面１１ｉのうち、コリメート光が入射する領域が本発明における光入射部に相当している。
Next, the optical path in the optical element 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration and optical path of an image display device using the optical element 10. As shown in FIG. 2, the image display device of the present embodiment includes an optical element 10, a collimating lens 14, and a light source 15. A laser beam is emitted from the light source 15 toward the optical element 10, and the collimating light is incident on the prism 13 via the collimating lens 14. The collimated light is incident on one surface of the prism 13, passes through the inside of the prism 13, and escapes from the surface on the gap side to the gap. Here, in the light incident surface 11i, the region where the collimated light is incident corresponds to the light incident portion in the present invention.
プリズム１３を通過したコリメート光は、間隙を介して導光部１１の光入射面１１ｉに対して斜めに入射する。ここで、間隙の幅を波長と同程度とすることで、プリズム１３と間隙の界面や間隙と導光部１１の界面での光反射を低減して、コリメート光を高効率で導光部１１内に取り込むことができる。
The collimated light that has passed through the prism 13 is obliquely incident on the light incident surface 11i of the light guide unit 11 through the gap. Here, by making the width of the gap about the same as the wavelength, the light reflection at the interface between the prism 13 and the gap and the interface between the gap and the light guide portion 11 is reduced, and the collimated light is efficiently transmitted to the light guide portion 11. Can be taken in.
光入射面１１ｉから入射したコリメート光は、導光部１１内部を進行する入射光Ｌ１として側面１１ａ表面の回折格子部１２ａに入射角Φで入射する。導光部１１と回折格子部１２ａの界面では、入射光Ｌ１の一部は回折格子部１２ａ内に入射し、一部が反射光として導光部１１内に反射される。入射光Ｌ１のうち回折格子部１２ａ内を進行する光は、導光部１１と回折格子部１２ａの屈折率に応じて進行角度が変化し、凸部と凹部による回折条件を満たす出射角度θｄ１方向に出射光Ｌ２として出射される。また、回折格子部１２ａ内に取り込まれた光は、屈折率と入射角Φを適切に選択することで空気との界面での漏れ全反射の条件を満たすことができ、回折格子部１２ａ内で繰り返し反射されて回折格子部１２ａ内を伝搬する。
Collimated light incident from the light incident surface 11i is incident at an incident angle Φ on the diffraction grating portion 12a of the side surface 11a surface as the incident light L 1 propagating through the light guiding portion 11. At the interface of the light guide 11 and the diffraction grating portion 12a, part of the incident light L 1 is incident on the diffraction grating portion 12a, a part is reflected in the light guiding portion 11 as reflected light. Light traveling within the diffraction grating portion 12a of the incident light L 1 is advanced angle varies depending on the refractive index of the light guide portion 11 the diffraction grating portion 12a, satisfying the diffraction condition emission angle by the convex and concave portions θ It is emitted as emitted light L 2 in the d1 direction. Further, the light captured in the diffraction grating portion 12a can satisfy the condition of total leakage and total reflection at the interface with air by appropriately selecting the refractive index and the incident angle Φ, and in the diffraction grating portion 12a. It is repeatedly reflected and propagates in the diffraction grating portion 12a.
入射光Ｌ１のうち導光部１１と回折格子部１２ａの界面で反射された光は、導光部１１内を進行して裏面１１ｂに到達し、裏面１１ｂ表面の回折格子部１２ｂに入射角Φで入射し、一部は回折格子部１２ｂ内に入射し、一部は導光部１１内に再反射される。再反射された光は、導光部１１内を進行して側面１１ｃに到達し、側面１１ｃ表面の回折格子部１２ｃに入射角Φで入射し、一部は回折格子部１２ｃ内に入射する。回折格子部１２ｂ，１２ｃ内に入射した光は、回折格子部１２ａと同様に凸部と凹部による回折条件を満たす出射角度θｄ２，θｄ３方向に出射光Ｌ３，Ｌ４として出射される。ここで、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから外部に照射される出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出射角度は、それぞれの凸部と凹部のピッチによって決まる。したがって、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃを適切に設定することで、出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出射方向を個別に設定することができる。
The light reflected at the interface of the light guide portion 11 and the diffraction grating portion 12a of the incident light L 1 reaches the rear surface 11b by traveling in the light guide portion 11, the incident angle to the diffraction grating 12b of the back surface 11b surface It is incident on Φ, a part is incident on the diffraction grating portion 12b, and a part is re-reflected in the light guide portion 11. The re-reflected light travels in the light guide portion 11 and reaches the side surface 11c, is incident on the diffraction grating portion 12c on the surface of the side surface 11c at an incident angle Φ, and a part of the light is incident on the diffraction grating portion 12c. Diffraction grating portion 12b, light incident on the 12c, the diffraction satisfies emission angle by protrusion and recess as with the diffraction grating portion 12a theta d2, is emitted as output light L 3, L 4 in the theta d3 direction. Here, the emission angles of the emission lights L 2 , L 3 , and L 4 emitted from the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c to the outside are determined by the pitches of the convex portions and the concave portions, respectively. Therefore, by appropriately setting the diffraction grating portions 12a, 12b, and 12c, the emission directions of the emission lights L 2 , L 3 , and L 4 can be individually set.
上述したように、本実施形態の光学素子１０では、光入射面１１ｉから導光部１１内に入射した光は、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと導光部１１の界面で部分的に反射して側面１１ａ、裏面１１ｂおよび側面１１ｃに到達し、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから３方向に出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４として外部に照射される。これにより、光学素子１０を用いることで、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能となる。
As described above, in the optical element 10 of the present embodiment, the light incident on the light guide portion 11 from the light incident surface 11i is partially reflected at the interface between the diffraction grating portions 12a, 12b, 12c and the light guide portion 11. Then, it reaches the side surface 11a, the back surface 11b, and the side surface 11c, and is irradiated to the outside as emitted light L 2 , L 3 , L 4 from the diffraction grating portions 12a, 12b, 12c in three directions. As a result, by using the optical element 10, it is possible to project an image in a plurality of directions with a small size and a light weight.
図３は、光学素子１０を車両１００内に設けた場合の画像投影を模式的に示す図である。図３に示すように、車両１００の車内天井に光学素子１０を配置し、別途設けた光源から光を光学素子１０に入射させる。光学素子１０からは図２で説明したように、車両１００の３方向（前方、中央下方、後方）に向かって出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が照射される。前方への出射光Ｌ２はフロントガラス１０１に投影され、後方への出射光Ｌ４はリアガラス１０２に投影される。中央下方への出射光Ｌ３は車内に配置したスクリーンに投影される。ここでスクリーンとしては、非透過型の白色スクリーンや透過型のガラスを別途設けるとしてもよく、車両の内装をスクリーンとして用いるとしてもよい。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an image projection when the optical element 10 is provided in the vehicle 100. As shown in FIG. 3, the optical element 10 is arranged on the ceiling inside the vehicle 100, and light is incident on the optical element 10 from a separately provided light source. As described with reference to FIG. 2, the optical element 10 irradiates the emitted light L 2 , L 3 , and L 4 in three directions (front, lower center, and rear) of the vehicle 100. The forward emission light L 2 is projected onto the windshield 101, and the rearward emission light L 4 is projected onto the rear glass 102. Outgoing light L 3 to the central lower is projected onto a screen placed in the vehicle. Here, as the screen, a non-transmissive white screen or transmissive glass may be separately provided, or the interior of the vehicle may be used as the screen.
上述したように、本実施形態の光学素子１０および画像表示装置では、ミラーや光学レンズを用いるよりも小型かつ軽量で複数方向に対して同時に画像投影を行うことができる。
As described above, the optical element 10 and the image display device of the present embodiment are smaller and lighter than those using a mirror or an optical lens, and can simultaneously project images in a plurality of directions.
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は、本実施形態における光学素子１０の構造と光路を示す模式断面図である。本実施形態では、裏面１１ｂの表面には反射膜１６を形成する点が第１実施形態と異なっている。 (Second Embodiment)
Next, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure and optical path of theoptical element 10 in the present embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that a reflective film 16 is formed on the front surface of the back surface 11b.
次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は、本実施形態における光学素子１０の構造と光路を示す模式断面図である。本実施形態では、裏面１１ｂの表面には反射膜１６を形成する点が第１実施形態と異なっている。 (Second Embodiment)
Next, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure and optical path of the
反射膜１６は、裏面１１ｂを覆うように形成された反射率の高い膜である。反射膜１６を構成する材料は限定されないが、銀等の高反射率金属を蒸着して形成することが好ましい。反射膜１６を形成した面からは出射光が外部に照射されないため、画像の投影方向を限定することができる。また、側面１１ａと回折格子部１２ａの界面で反射して裏面１１ｂに到達した光を高効率で側面１１ｃにまで反射させることができ、回折格子部１２ｃから外部に照射される出射光Ｌ４の強度を向上させることができる。
The reflective film 16 is a highly reflective film formed so as to cover the back surface 11b. The material constituting the reflective film 16 is not limited, but it is preferably formed by depositing a high-reflectivity metal such as silver. Since the emitted light is not emitted to the outside from the surface on which the reflective film 16 is formed, the projection direction of the image can be limited. Further, the light reaching the back surface 11b is reflected at the interface side 11a and the diffraction grating portion 12a can be reflected with high efficiency to the side surface 11c, the outgoing light L 4 emitted to the outside from the diffraction grating portion 12c The strength can be improved.
図４では裏面１１ｂにのみ反射膜１６を形成した例を示したが、導光部１１の光入射面１１ｉ以外の面のうち、回折格子部１２ａ～１２ｃが形成されていない面には、全て反射膜１６を形成することが好ましい。
FIG. 4 shows an example in which the reflective film 16 is formed only on the back surface 11b, but all the surfaces other than the light incident surface 11i of the light guide portion 11 on which the diffraction grating portions 12a to 12c are not formed are all. It is preferable to form the reflective film 16.
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態における光学素子１０の構造を示す模式上面図である。本実施形態では、導光部１１に対して光を２系統入射させ、側面の全てに回折格子部を形成する点が第１実施形態と異なっている。 (Third Embodiment)
Next, the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 5 is a schematic top view showing the structure of theoptical element 10 in the present embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that two systems of light are incident on the light guide portion 11 to form a diffraction grating portion on all of the side surfaces.
次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態における光学素子１０の構造を示す模式上面図である。本実施形態では、導光部１１に対して光を２系統入射させ、側面の全てに回折格子部を形成する点が第１実施形態と異なっている。 (Third Embodiment)
Next, the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 5 is a schematic top view showing the structure of the
図５に示すように、本実施形態の光学素子１０では、側面１１ａ，１１ｃに対して直交する側面１１ｄ，１１ｅの表面にも回折格子部１２ｄ，１２ｅが形成されている。また、光入射面１１ｉの近傍には二つのプリズム１３ａ，１３ｂが配置されている。プリズム１３ａ，１３ｂはそれぞれ断面三角形状の光学要素であり、互いに稜線方向が直交するように配置されている。
As shown in FIG. 5, in the optical element 10 of the present embodiment, the diffraction grating portions 12d and 12e are also formed on the surfaces of the side surfaces 11d and 11e orthogonal to the side surfaces 11a and 11c. Further, two prisms 13a and 13b are arranged in the vicinity of the light incident surface 11i. The prisms 13a and 13b are optical elements having a triangular cross section, and are arranged so that their ridges are orthogonal to each other.
本実施形態の画像表示装置では光源１５を二つ用意し、光学素子１０のプリズム１３ａ，１３ｂに対して光を照射する。ここで、光入射面１１ｉのうち、プリズム１３ａ,１３ｂを介してコリメート光が入射する領域は、それぞれ本発明における第１光入射部と第２光入射部に相当している。プリズム１３ａを介して導光部１１に入射した光は、図２で述べたように回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４として３方向に照射される。同様にして、プリズム１３ｂを介して導光部１１に入射した光は、側面１１ｄに到達して一部が回折格子部１２ｄ内に入射し、一部が反射光として導光部１１内に反射される。側面１１ｄで反射された光は、裏面１１ｂで再び反射されて側面１１ｅに到達し、一部が回折格子部１２ｅ内に入射する。回折格子部１２ｄ，１２ｅ内に入射した光は、第１実施形態と同様に凸部と凹部による回折条件を満たす方向に出射光Ｌ５，Ｌ６として出射される。
In the image display device of the present embodiment, two light sources 15 are prepared, and the prisms 13a and 13b of the optical element 10 are irradiated with light. Here, in the light incident surface 11i, the regions where the collimated light is incident through the prisms 13a and 13b correspond to the first light incident portion and the second light incident portion in the present invention, respectively. The light incident on the light guide portion 11 via the prism 13a is emitted from the diffraction grating portions 12a, 12b, 12c as emitted light L 2 , L 3 , L 4 in three directions as described in FIG. Similarly, the light incident on the light guide portion 11 via the prism 13b reaches the side surface 11d, a part of the light enters the diffraction grating portion 12d, and a part of the light is reflected in the light guide portion 11 as reflected light. Will be done. The light reflected by the side surface 11d is reflected again by the back surface 11b and reaches the side surface 11e, and a part of the light is incident on the diffraction grating portion 12e. The light incident on the diffraction grating portions 12d and 12e is emitted as emitted light L 5 and L 6 in the direction satisfying the diffraction condition by the convex portion and the concave portion as in the first embodiment.
本実施形態の光学素子１０では、プリズム１３ａを介して導光部１１に入射した光が最初に到達する回折格子部１２ａと、プリズム１３ｂを介して導光部１１に入射した光が最初に到達する回折格子部１２ｄとが異なっている。また、回折格子部１２ａが形成された側面１１ａと、回折格子部１２ｄが形成された側面１１ｄは直交している。これにより、プリズム１３ａから入射した光とプリズム１３ｂから入射した光は、導光部１１内で別経路を経てそれぞれ回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび回折格子部１２ｄ，１２ｅから外部に照射される。
In the optical element 10 of the present embodiment, the light incident on the light guide portion 11 via the prism 13a first reaches the diffraction grating portion 12a, and the light incident on the light guide portion 11 via the prism 13b first reaches. It is different from the diffraction grating portion 12d. Further, the side surface 11a on which the diffraction grating portion 12a is formed and the side surface 11d on which the diffraction grating portion 12d is formed are orthogonal to each other. As a result, the light incident from the prism 13a and the light incident from the prism 13b are irradiated to the outside from the diffraction grating units 12a, 12b, 12c and the diffraction grating units 12d, 12e, respectively, via different paths in the light guide unit 11. ..
本実施形態の光学素子１０を用いた画像表示装置では、光入射面１１ｉに垂直な側面１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅと、裏面１１ｂの５方向に対して画像を投影することができる。車両１００に用いた場合には、図３に示した前方、中央下方、後方への出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に加えて、側方への出射光Ｌ５，Ｌ６を照射して、左右のサイドガラスにも画像を投影することができる。
In the image display device using the optical element 10 of the present embodiment, an image can be projected in five directions of the side surfaces 11a, 11c, 11d, 11e perpendicular to the light incident surface 11i and the back surface 11b. When used in the vehicle 100 has a front shown in FIG. 3, lower center, in addition to the light emitted backward L 2, L 3, L 4, is irradiated with emitted light L 5, L 6 to the side The image can also be projected on the left and right side glasses.
上述したように本実施形態の光学素子１０および画像表示装置では、小型かつ軽量でありながら最大で５方向に対して複数方向に対して同時に画像投影を行うことができる。
As described above, the optical element 10 and the image display device of the present embodiment can simultaneously project images in a plurality of directions in a maximum of five directions while being compact and lightweight.
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。上述した第１実施形態～第３実施形態では、導光部１１として直方体のものを示したが、導光部１１の形状は限定されない。例えば、光入射面１１ｉに対して裏面１１ｂが平行ではなく、所定角度傾斜しているとしてもよい。また、光入射面１１ｉに対して側面１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが垂直でなくてもよい。 (Fourth Embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. In the first to third embodiments described above, thelight guide portion 11 is a rectangular parallelepiped, but the shape of the light guide portion 11 is not limited. For example, the back surface 11b may not be parallel to the light incident surface 11i but may be inclined by a predetermined angle. Further, the side surfaces 11a, 11c, 11d, 11e do not have to be perpendicular to the light incident surface 11i.
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。上述した第１実施形態～第３実施形態では、導光部１１として直方体のものを示したが、導光部１１の形状は限定されない。例えば、光入射面１１ｉに対して裏面１１ｂが平行ではなく、所定角度傾斜しているとしてもよい。また、光入射面１１ｉに対して側面１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが垂直でなくてもよい。 (Fourth Embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. In the first to third embodiments described above, the
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
本国際出願は、２０１９年４月５日に出願された日本国特許出願である特願２０１９－０７２４９４号に基づく優先権を主張するものであり、当該日本国特許出願である特願２０１９－０７２４９４号の全内容は、本国際出願に参照することにより援用される。
This international application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-072494, which is a Japanese patent application filed on April 5, 2019, and is a Japanese patent application, Japanese Patent Application No. 2019-072494. The entire contents of the issue are incorporated by reference in this international application.
本発明の特定の実施の形態についての上記説明は、例示を目的として提示したものである。それらは、網羅的であったり、記載した形態そのままに本発明を制限したりすることを意図したものではない。数多くの変形や変更が、上記の記載内容に照らして可能であることは当業者に自明である。
The above description of a particular embodiment of the present invention is presented for illustration purposes. They are not intended to be exhaustive or to limit the invention in its entirety. It is self-evident to those skilled in the art that numerous modifications and changes are possible in the light of the above description.
Ｌ１…入射光
Ｌ２～Ｌ６…出射光
１０…光学素子
１００…車両
１０１…フロントガラス
１０２…リアガラス
１１…導光部
１１ｉ…光入射面
１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ…側面
１１ｂ…裏面
１２ａ～１２ｅ…回折格子部
１３，１３ａ，１３ｂ…プリズム
１４…コリメートレンズ
１５…光源
１６…反射膜 L1 ... Incident light L2 to L6 ...Emission light 10 ... Optical element 100 ... Vehicle 101 ... Windshield 102 ... Rear glass 11 ... Light guide unit 11i ... Light incident surface 11a, 11c, 11d, 11e ... Side surface 11b ... Back surface 12a to 12e ... Diffraction grating portions 13, 13a, 13b ... Prism 14 ... Collimating lens 15 ... Light source 16 ... Reflective film
Ｌ２～Ｌ６…出射光
１０…光学素子
１００…車両
１０１…フロントガラス
１０２…リアガラス
１１…導光部
１１ｉ…光入射面
１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ…側面
１１ｂ…裏面
１２ａ～１２ｅ…回折格子部
１３，１３ａ，１３ｂ…プリズム
１４…コリメートレンズ
１５…光源
１６…反射膜 L1 ... Incident light L2 to L6 ...
Claims (7)
- 光入射面と、前記光入射面に対して垂直な複数の側面と、前記光入射面に対向する裏面とを有する導光部と、
前記側面および前記裏面から選択された少なくとも２面以上の表面に形成された複数の回折格子部を備えることを特徴とする光学素子。 A light guide portion having a light incident surface, a plurality of side surfaces perpendicular to the light incident surface, and a back surface facing the light incident surface.
An optical element comprising a plurality of diffraction grating portions formed on at least two or more surfaces selected from the side surface and the back surface. - 請求項１に記載の光学素子であって、
前記側面および前記裏面のうち、前記回折格子部が形成されていない面には、反射膜が形成されていることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1.
An optical element characterized in that a reflective film is formed on the surface of the side surface and the back surface on which the diffraction grating portion is not formed. - 請求項１または２に記載の光学素子であって、
前記光入射面は、第１光入射部と第２光入射部を有し、
前記第１光入射部から入射した第１光が最初に到達する第１回折格子部と、前記第２光入射部から入射した第２光が最初に到達する第２回折格子部とが異なっていることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1 or 2.
The light incident surface has a first light incident portion and a second light incident portion.
The first diffraction grating portion where the first light incident from the first light incident portion first arrives and the second diffraction grating portion where the second light incident from the second light incident portion first arrives are different. An optical element characterized by being - 請求項３に記載の光学素子であって、
前記第１回折格子部および前記第２回折格子部は、前記側面に形成されていることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 3.
An optical element characterized in that the first diffraction grating portion and the second diffraction grating portion are formed on the side surface. - 請求項１から４の何れか一つに記載の光学素子であって、
前記光入射面にはプリズムが配置され、
前記プリズムと前記光入射面との間には間隙が設けられていることを特徴とする光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 4.
A prism is arranged on the light incident surface.
An optical element characterized in that a gap is provided between the prism and the light incident surface. - 請求項１から５の何れか一つに記載の光学素子であって、
前記回折格子部は、前記導光部とは屈折率が異なる誘電体で構成されていることを特徴とする光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 5.
The diffraction grating portion is an optical element characterized in that it is made of a dielectric material having a refractive index different from that of the light guide portion. - 請求項１から６の何れか一つに記載の光学素子と、
前記光入射面に対して光を照射する光源部を備え、
前記側面に形成された前記回折格子部と前記導光部との界面で前記光の一部が反射して他の前記回折格子部に到達することを特徴とする画像表示装置。 The optical element according to any one of claims 1 to 6.
A light source unit that irradiates the light incident surface with light is provided.
An image display device characterized in that a part of the light is reflected at an interface between the diffraction grating portion and the light guide portion formed on the side surface to reach another diffraction grating portion.
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Legal Events
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20784553 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |