WO2021251332A1 - 光学素子および画像投影装置 - Google Patents

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WO2021251332A1
WO2021251332A1 PCT/JP2021/021549 JP2021021549W WO2021251332A1 WO 2021251332 A1 WO2021251332 A1 WO 2021251332A1 JP 2021021549 W JP2021021549 W JP 2021021549W WO 2021251332 A1 WO2021251332 A1 WO 2021251332A1
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WO
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light
diffraction grating
optical element
incident
stretched
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PCT/JP2021/021549
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English (en)
French (fr)
Inventor
洋一 尾形
ニキタ コリチバ
Original Assignee
株式会社小糸製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to CN202180041993.5A priority patent/CN115917400A/zh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light

Definitions

  • the present invention relates to an optical element and an image projection device, and more particularly to an optical element and an image projection device using a diffraction grating.
  • an instrument panel that lights and displays an icon has been used. Further, as the amount of information to be displayed increases, it has been proposed to embed an image display device in the instrument panel or to configure the entire instrument panel with an image display device.
  • HUD Head Up Display
  • an optical device for projecting an image onto a wide range of the windshield is required, and it is desired to reduce the size and weight of the optical device.
  • a head-mounted HUD in the shape of glasses is known (see, for example, Patent Document 2).
  • the light emitted from the light source is directly applied to the eyes of the viewer, and the image is projected on the retina of the viewer.
  • an optical element provided with a diffraction grating is used when irradiating the viewer with light from a light source.
  • a HUD using an optical element provided with such a diffraction grating light is irradiated from the light source to the diffraction grating at a predetermined incident angle, and the diffracted light is waveguideed inside the optical element and projected to the outside from the light emitting portion.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and is an optical element and an image projection device that can easily be miniaturized by having a simple structure that can waved diffracted light in a diffraction grating and irradiates light to the outside.
  • the purpose is to provide.
  • the optical element of one aspect of the present invention comprises a diffraction grating portion in which a plurality of convex portions and concave portions are periodically formed, and a material having a refractive index different from that of the diffraction grating portion.
  • the light guide plate portion is provided with a light guide plate portion formed so as to cover the diffraction grating portion, and the light guide plate portion has a first stretched portion stretched on one side, and a flat first stretch portion is provided in the vicinity of the end portion of the first stretched portion.
  • a light emitting portion is formed, and at least one of the primary diffracted lights of the diffraction grating portion is totally reflected and waveguideed in the first stretching portion and reaches the first light emitting portion.
  • At least one of the primary diffracted light of the diffracted light by the diffractive lattice portion is completely reflected in the first stretched portion and is waveguideed to reach the first light emitting portion.
  • Light is taken out from the flat first light emitting portion to the outside of the optical element.
  • the light guide plate portion has a second stretched portion stretched on the side opposite to the first stretched portion, and a flat second stretched portion is in the vicinity of the end portion of the second stretched portion.
  • a light emitting portion is formed, and the other secondary diffracted light of the diffracted light generated by the diffraction grating portion is totally reflected inside the second stretching portion and is waveguideed to reach the second light emitting portion.
  • the convex portion is inclined by an angle ⁇ with respect to the main surface to form a slanted grating, and the first stretched portion is stretched on the side opposite to the inclined direction of the convex portion. Has been done.
  • the first light emitting portion is provided at any one of the end face, the front surface, and the back surface of the first stretched portion.
  • the 0th-order diffracted light and the other primary diffracted light are transmitted through the main surface of the light guide plate portion and emitted.
  • the image display device includes the optical element according to any one of the above and a light guide unit that is optically coupled to the light guide plate unit to guide light inside.
  • the light guide section includes a light incident section facing the first light emitting section and a light emitting section that emits guided light.
  • a diffraction grating is formed in the light emitting portion.
  • the light source portion for irradiating the diffraction grating portion with light is provided, and the light source portion emits light to the diffraction grating portion from a direction inclined by an angle ⁇ in the inclination direction of the convex portion. Irradiate.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the optical element 10 in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing a structural example of the diffraction grating portion 11.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the image projection device 100 in the second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing the structure of the image projection device 100 in the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an arrangement example of the optical element 10 and the light guide unit 20 in the third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating light extraction when the front surface or the back surface of the light guide portion 20 faces the main surface of the optical element 10.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating light extraction when the end face of the light guide portion 20 is opposed to the end face of the optical element 10.
  • 8A and 8B are views for explaining the diffraction and progress of light in the diffraction grating portion 11 in the fourth embodiment, FIG. 8A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 8B is a schematic perspective view.
  • .. 9A and 9B are diagrams for explaining the simulation results of the electric field distribution in the fourth embodiment, FIG. 9A is a graph showing the electric field Eye distribution when red light is incident, and FIG. 9B is a graph showing the electric field Eye distribution. It is a graph which shows the electric field Eye distribution when green light is incident.
  • FIG. 9A is a graph showing the electric field Eye distribution when red light is incident
  • FIG. 9B is a graph showing the electric field Eye distribution. It is a graph which shows the electric field Eye distribution when green light is incident.
  • FIG. 9A is a graph showing the electric field Eye distribution when red light is incident
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an outline of an experimental device for detecting +1st order light I1 and 2nd order light I2.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing the emission of the first-order light I1 and the second-order light I2 when the incident light Lin on the optical element 10 is incident at an angle ⁇ .
  • FIG. 12 is a cross-sectional SEM photograph of the optical element 10.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the incident angle ⁇ of the incident light Lin and the intensity of the emitted light from the optical element 10 measured by using a red laser as a light source as the device shown in FIG. 14 is a photograph showing an experiment with the apparatus shown in FIG. 10, FIG. 14 (a) shows irradiation of red light with the illumination turned on, and FIG.
  • FIG. 15 (a) is a schematic diagram showing an outline of an experimental device for observing a far-field image by the + 1st order light I1 emitted from the optical element 10
  • FIG. 15 (b) is a schematic diagram showing an outline between the lens and the mirror M2. It is a figure which shows the structure of the placed test target. 16 is a photograph showing an experiment with the apparatus shown in FIG. 15, FIGS. 16 (a) to 16 (c) show a case where red light is incident, and FIGS.
  • FIG. 17 is a diagram showing observation results of a far-field image when the test target is moved laterally by the apparatus shown in FIG. 18 is a photograph showing a far-field image observed on a screen, FIGS. 18 (a) to 18 (c) show a case where red light is incident, and FIGS. 18 (d) to 18 (f) show green light. It shows the case of incident.
  • 19 is a graph showing the light intensity distribution in the far-field image, FIG. 19 (a) shows the case of red, and FIG.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the deformation of the projected image due to the projection distance
  • FIG. 20 (a) is a schematic diagram for explaining the distribution of the diffraction angle when the incident light Lin is focused and irradiated on the optical element 10. Yes
  • FIG. 20B is a schematic diagram showing changes in the far-field image.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the optical element 10 in the present embodiment.
  • the optical element 10 includes a diffraction grating portion 11 and a light guide plate portion 12 formed so as to cover the diffraction grating portion 11.
  • the diffraction grating portion 11 is an optical element in which a plurality of convex portions and concave portions are periodically formed.
  • the light guide plate portion 12 is a substantially flat plate-shaped member made of a material having a refractive index different from that of the diffraction grating portion 11. 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.
  • FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing a structural example of the diffraction grating portion 11.
  • the diffraction grating portion 11 includes a substantially flat plate-shaped portion 15 and a plurality of convex portions 16 formed on the main surface of the plate-shaped portion 15.
  • the plate-shaped portion 15 and the convex portion 16 are integrally formed of the same material.
  • the plurality of convex portions 16 are periodically arranged side by side, and a concave portion is formed between the adjacent convex portions 16.
  • the convex portion 16 and the concave portion of the diffraction grating portion 11 are each formed by extending in a stripe shape in the depth direction of the paper surface.
  • the convex portion 16 is formed so as to be inclined by a predetermined angle ⁇ with respect to the main surface of the plate-shaped portion 15, and constitutes a slanted grating.
  • a groove having the shape of the diffraction grating portion 11 is formed on one surface of the light guide plate portion 12, and the material of the diffraction grating portion 11 is embedded in the groove to form the diffraction grating portion 11. It is configured. Therefore, the light guide plate portion 12 is formed so as to cover the diffraction grating portion 11.
  • the light guide plate portion 12 is formed by extending a plate-shaped first stretched portion 13a from the region where the diffraction grating portion 11 is formed, and is flat in the vicinity of the end portion of the first stretched portion 13a.
  • a first light emitting unit 14a is provided.
  • the light guide plate portion 12 is formed by stretching a plate-shaped second stretched portion 13b from the region where the diffraction grating portion 11 is formed to the other, and in the vicinity of the end portion of the second stretched portion 13b.
  • a flat second light emitting portion 14b is provided.
  • the material constituting the diffraction grating portion 11 is not limited, but it is preferable to use a material having a large difference in refractive index from the light guide plate portion 12, and for example, a dielectric having a refractive index of about 2.5 containing TiO 2 as a main component is used. Is preferable.
  • the diffraction grating portion 11 can be formed by a known method, and for example, a photolithography technique, a nanoimprint technique, an EBL (Electron Beam Lithografy) technique, or the like can be used. Further, by holding the light guide plate portion 12 in an inclined state and using a reactive ion etching (RIE) method or the like, the convex portion 16 can be formed by inclining the convex portion 16 by an angle ⁇ .
  • RIE reactive ion etching
  • the size of the diffraction grating portion 11 is not particularly limited, but it is preferable that the diffraction grating portion 11 has a thickness that allows light to be guided in the in-plane direction.
  • the total thickness h is about 788 ⁇ 12 nm
  • the height d of the convex portion 16 is 210 ⁇ .
  • the width w of the convex portion 16 is about 10.5 nm
  • the width w of the convex portion 16 is about 230 nm
  • the pitch ⁇ of the convex portion 16 is about 696 nm.
  • the material constituting the light guide plate portion 12 is not limited, but it is preferable to use , for example, glass or a polymer containing SiO 2 as a main component.
  • the inclination angle ⁇ of the convex portion 16 is preferably in the range of ⁇ 45 degrees or more and 45 degrees or less.
  • the inclination angle ⁇ is outside the above range, it becomes difficult to form the convex portion 16, and the region where the convex portion 16 overhangs above the concave portion becomes too large, so that the period in the plane of the diffraction grating portion 11 becomes too large.
  • the difference in refractive index becomes small, and the function of the diffraction grating deteriorates.
  • the convex portion 16 becomes close to the pillared grating perpendicular to the main surface of the diffraction grating portion 11, and the advantage of the slanted grating is less likely to occur.
  • the shapes of the convex portion 16 and the concave portion constituting the slanted grating not only when the side surfaces of the convex portion 16 are inclined in parallel but also when the inclinations of both side surfaces of the convex portion 16 are different. include.
  • the inclination angle ⁇ of the convex portion 16 is an angle formed by a line connecting the center at the upper end and the lower end of the convex portion 16 with the main surface of the diffraction grating portion 11.
  • FIG. 1 schematically shows the progress of light in the optical element 10 by using arrows, and does not reflect the accurate incident position, traveling path, and emission position of light.
  • a laser beam is emitted toward the optical element 10 from a light source unit (not shown).
  • the laser beam is coherent light having the same phase, and is irradiated as collimated light by a collimating lens or the like.
  • the incident light Lin emitted from the light source portion is incident on the interface of the diffraction grating portion 11 at an inclination angle ⁇ , a part of the incident light is reflected as reflected light R at the interface, and the other light is incident on the diffraction grating portion 11. .
  • the inclination angle ⁇ of the incident light Lin and the inclination direction of the convex portion 16 in the diffraction grating portion 11 are the same directions.
  • the polarization direction of the incident light Lin is set to be parallel to the stripe of the convex portion 16.
  • Part of the light incident on the diffraction grating portion 11 reaches the inside of the light guide plate portion 12 at a predetermined angle as diffracted light due to the difference in refractive index between the periodic convex portion 16 and the light guide plate portion 12, and a part of the light propagates. As light, it propagates as leakage propagating light in the plane of the plate-shaped portion 15 of the diffraction grating portion 11.
  • the 0th-order light T1 passes through the light guide plate portion 12 and is irradiated to the outside of the light guide plate portion 12.
  • the primary light (-1st order light T2) diffracted in the direction in which the convex portion 16 is inclined also passes through the light guide plate portion 12 and is irradiated to the outside of the light guide plate portion 12. This is because the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 are diffracted at an angle close to perpendicular to the main surfaces of the diffraction grating portion 11 and the light guide plate portion 12, and are diffracted at the interface between the light guide plate portion 12 and the air layer. This is because the total reflection condition is not satisfied.
  • the primary light (+1 primary light I1) diffracted in the direction opposite to the inclination of the convex portion 16 is totally reflected by the interface between the light guide plate portion 12 and the air layer and propagates in the first stretched portion 13a. It reaches the flat first light emitting portion 14a at the end of the stretched portion 13a and irradiates the outside of the light guide plate portion 12.
  • the secondary light (secondary light I2) diffracted in the inclined direction of the convex portion 16 is also totally reflected by the interface between the light guide plate portion 12 and the air layer and propagates in the second stretched portion 13b. It reaches the flat second light emitting portion 14b at the end of the second stretching portion 13b and irradiates the outside of the light guide plate portion 12.
  • the total reflection condition at the interface between the light guide plate portion 12 and the air layer is determined by the refractive index of the material constituting the light guide plate portion 12. Therefore, the diffraction grating portion 11 is designed so that the diffraction angles of the +1st order light I1 and the second-order light I2 diffracted by the diffraction grating portion 11 satisfy the total reflection condition. Further, by setting the inclination angle ⁇ of the incident light from the light source unit to satisfy the diffraction conditions and the total reflection conditions, the +1st order light I1 and the second order light I2 are transferred to the light guide plate unit 12 as shown in FIG. It can be totally reflected inside to reach the first light emitting unit 14a and the second light emitting unit 14b.
  • the first light emitting portion 14a and the second light emitting portion 14b are formed as flat surfaces, and if the total reflection conditions are satisfied, the light cannot be taken out, so that the difference in the refractive index from the air layer is small.
  • Light is taken out by forming an antireflection film or a refractive index adjusting film for this purpose. Further, as will be described later, the light may be propagated to the other light guide members by arranging the other light guide members in close proximity to the first light emitting unit 14a and the second light emitting unit 14b.
  • the 0th-order light T1, the -1st-order light T2, the + 1st-order light I1 and the -2nd-order light I2 emitted from the light guide plate portion 12 are actually refracted by the difference in the refractive index between the light guide plate portion 12 and the outside.
  • the angle changes, but in FIG. 1, it is represented by a straight arrow for convenience.
  • the positive primary diffracted light (+1 primary light I1) diffracted on the side opposite to the inclination of the convex portion 16 among the diffracted light by the diffractive lattice portion 11 is the first. It is completely reflected inside the stretched portion 13a and diffracted, reaches the first light emitting portion 14a, and light is taken out from the flat first light emitting portion 14a to the outside of the optical element. As a result, the diffracted light in the diffraction grating portion 11 can be guided to irradiate the outside with a simple structure, and miniaturization becomes easy.
  • the negative secondary diffracted light (secondary light I2) diffracted on the same side as the inclination of the convex portion 16 among the diffracted light by the diffractive lattice portion 11 is totally reflected in the second stretched portion 13b and waveguideed. Then, the light reaches the second light emitting unit 14b, and the light is taken out from the flat first light emitting unit 14 to the outside of the optical element.
  • the secondary light I2 can be propagated in the direction opposite to the +1 primary light I1 only by irradiating the single diffraction grating portion 11 with the incident light Lin from one light source unit.
  • the 0th-order diffracted light (0th-order light T1) and the negative first-order diffracted light (-1st-order light T2) diffracted on the same side as the inclination of the convex portion 16 are the diffraction gratings.
  • the portion 11 is taken out from the formed region. This makes it possible to irradiate light in two directions in addition to the +1st order light I1 and the second order light I2.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the image projection device 100 in the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing the structure of the image projection device 100 in the present embodiment.
  • the image projection device 100 includes an optical element 10 shown in the first embodiment, a light guide unit 20, a prism unit 30, and a projection plate unit 40. Further, the light guide unit 20 includes a light incident unit 21, a waveguide unit 22, and a light emitting unit 23.
  • the light guide unit 20 is an optical member provided adjacent to the optical element 10, and is made of a material that is transparent to the light emitted by the optical element 10.
  • a light incident section 21 is formed in a region of the light guide section 20 facing the first light emitting section 14a and the second light emitting section 14b of the optical element 10, and the first light incident portion 21 propagates inside the optical element 10.
  • the light that has reached the light emitting unit 14a and the second light emitting unit 14b is taken into the light guide unit 20.
  • the light guide portion 20 includes a waveguide portion 22 integrally formed of the same material as the light incident portion 21, and the light taken in from the light incident portion 21 is totally reflected inside the waveguide portion 22. While propagating, it reaches the light emitting unit 23.
  • the light emitting unit 23 is an optical element for extracting light from the light guide unit 20 to the outside, and for example, a diffraction grating can be used.
  • FIG. 3 shows a shape in which the end surface of the waveguide 22 is inclined as the light incident portion 21, but the light incident portion 21 is provided so as to face the first light emitting portion 14a and the second light emitting portion 14b of the optical element 10. If so, the shape is not limited. Further, the light incident portion 21, the first light emitting portion 14a, and the second light emitting portion 14b may be provided with a gap or may be in contact with each other. Further, although FIG. 3 shows a flat plate shape as the waveguide 22, it may be a curved surface shape as long as the light can be totally reflected and propagated inside. Further, the diffraction grating of the light emitting portion 23 may be configured by forming a groove in a part of the waveguide portion 22, or the diffraction grating may be formed and adhered separately from the waveguide portion 22. good.
  • the prism portion 30 is an optical member arranged on an optical path on which the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 of the optical element 10 are irradiated, and refracts the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 in the irradiation direction.
  • FIG. 3 shows a structure in which two prisms are superposed as the prism portion 30, but a larger number of prisms may be used, or a single prism may be used. Further, a lens or the like may be used instead of the prism portion 30. Further, the prism portion 30 may be formed separately from the light guide portion 20, or may be formed integrally.
  • the projection plate portion 40 is a member arranged on the optical path of the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2, and is composed of a member that reflects at least a part of the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2. ..
  • the specific material of the projection plate portion 40 is not limited, but paper, resin, glass, or the like can be used. Further, the windshield of the vehicle, the windshield of the helmet, the screen, the wall surface, and the like can be used as the projection plate portion 40.
  • the incident light Lin emitted from the light source portion is incident on the diffraction grating portion 11 of the optical element 10 at an incident angle ⁇ , and a part thereof is reflected as reflected light R and a part thereof. Reach the inside of the diffraction grating portion 11.
  • the light that reaches the diffraction grating portion 11 is diffracted in a direction that satisfies the diffraction conditions.
  • the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 by the diffraction grating portion 11 pass through the light guide plate portion 12 and enter the prism portion 30 to be irradiated in front of the image projection device 100 (above the paper surface in FIG. 3).
  • the +1st order light I1 and the second light I2 by the diffraction grating portion 11 reach the light incident portion 21 from the first light emitting portion 14a and the second light emitting portion 14b, and are totally reflected in the waveguide portion 22 to be light. It reaches the emission unit 23 and is irradiated to the rear of the image projection device 100 (below the paper surface in FIG. 3).
  • the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 emitted from the light emitting unit 23 reach the viewpoint of the viewer while expanding the light diameter.
  • the viewer has the same optical path as the light traveling with a focus farther than the light guide unit 20, and the viewer visually recognizes the aerial images A1 and A2 in the space.
  • the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 radiated forward through the prism portion 30 project the projected images V1 and V2 on the surface of the projection plate portion 40. Therefore, the viewer can simultaneously visually recognize the aerial images A1 and A2 imaged in space and the projected images V1 and V2 projected on the surface of the projection plate portion 40.
  • the imaging position of the aerial images A1 and A2 is designed to be between the projected images V1 and V2 and the viewpoint, the projected images V1 and V2 and the aerial images A1 and A2 are superimposed and visually recognized. be able to.
  • the light guide unit 20 propagates inside the optical element 10 and propagates inside the optical element 10 to provide the first light emitting unit 14a and the second light.
  • the light that has reached the emission unit 14b can be well guided, and the light emission unit 23 can irradiate the outside with the light.
  • the diffracted light in the diffraction grating portion 11 can be guided to irradiate the outside with a simple structure, and the miniaturization becomes easy.
  • the optical element 10 has a low degree of freedom due to severe restrictions such as diffraction conditions, total reflection conditions, and the incident angle ⁇ of the incident light Lin, but it is guided by forming the light guide unit 20 separately from the optical element 10. Since the light emission direction can be adjusted only by changing the design of the wave unit 22 and the light emission unit 23, the degree of freedom in designing the image projection device 100 as a whole is improved.
  • the prism portion 30 in front of the optical element 10, the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 emitted from the optical element 10 are projected at appropriate positions to display the projected images V1 and V2. Is possible.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an arrangement example of the optical element 10 and the light guide unit 20 in the present embodiment.
  • a light emitting unit 14 (first light emitting unit 14a, second light emitting unit 14b) is provided on the end surface of the optical element 10, and light is incident on the end surface of the light guide unit 20.
  • a unit 21 is provided. Further, the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are arranged so as to face each other at a position substantially central in the thickness direction of the light guide portion 20.
  • a light emitting unit 14 is provided on the end surface of the optical element 10, and a light incident unit 21 is provided on the end surface of the light guide unit 20. Further, the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are arranged so as to face each other at a position close to the front surface or the back surface of the light guide portion 20.
  • the light emitting unit 14 is provided on the main surface of the optical element 10
  • the light incident unit 21 is provided on the front surface or the back surface of the light guide unit 20, and the light emitting unit 14 is provided.
  • the light incident portion 21 are arranged so as to face each other.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating light extraction when the front surface or the back surface of the light guide portion 20 faces the main surface of the optical element 10.
  • FIG. 6A shows an example in which the light guide portion 20 is arranged so as to cover the entire main surface of the optical element 10, and
  • FIG. 6B shows a stretched portion except for a region provided with the diffraction grating portion 11.
  • An example is shown in which the light guide portion 20 is arranged only in the 13 (first stretched portion 13a, second stretched portion 13b).
  • FIG. 6A shows an example in which a gap 24 is provided between the light emitting portion 14 of the optical element 10 and the light incident portion 21 of the light guide portion 20, and
  • FIG. 6B shows an example.
  • An example in which the refractive index adjusting layer 25 is formed in the gap 24 is shown.
  • the gap 24 is a distance that can be optically coupled so that the light propagating in the stretching portion 13 propagates to the waveguide portion 22 without being totally reflected by the light emitting portion 14. ..
  • the distance is preferably 100 ⁇ ⁇ m or less.
  • the refractive index adjusting layer 25 it is preferable to use a material having a refractive index close to that of the material constituting the stretched portion 13 and the waveguide portion 22, and for example, the refractive index difference between the two is 0.26 or less. preferable.
  • a contact liquid having a refractive index of 1.52 can be used.
  • the stretched portion 13 and the waveguide portion 22 are not optically coupled to each other, and a gap 24 is provided at the interface between the stretched portion 13 and the air layer to completely reflect light, and the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are provided.
  • the refractive index adjusting layer 25 may be provided only between and.
  • the incident light Lin irradiated on the diffraction grating portion 11 is diffracted by the diffraction grating portion 11 and the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 are emitted.
  • the +1st order light I1 and the 2nd order light I2 are totally reflected in the stretched portion 13 and propagated. Since the emission angle of the diffracted light is determined by the wavelength of the incident light Lin, the incident position, the incident angle, and the optical design of the diffraction grating portion 11, the thickness of the light guide plate portion 12 and the length of the stretched portion 13 are appropriately set. , The position of the light emitting unit 14 can be determined.
  • the light that has reached the light emitting section 14 propagates into the waveguide 22 from the light incident section 21 arranged to face each other through the gap 24 or the refractive index adjusting layer 25.
  • the light incident in the waveguide 22 propagates through the light guide section 20 while being totally reflected, reaches the light emitting section 23, and is irradiated to the outside.
  • the light incident on the light incident portion 21 from the light emitting portion 14 has a light emitting position and a light emitting angle depending on the wavelength, the incident position, the incident angle and the optical design of the diffraction grating portion 11 of the incident light Lin as described above. Is decided. Therefore, by appropriately setting the thickness, shape, and length of the light guide unit 20, the light can reach the light emitting unit 23.
  • FIG. 6 shows an example in which the light emitting portion 14 is provided on the front surface side of the main surface of the optical element 10 where the diffraction grating portion 11 is not provided, but the light is emitted on the back surface side where the diffraction grating portion 11 is provided.
  • a portion 14 may be provided.
  • the light incident portion 21 is provided on the surface side of the light guide portion 20, and the optical element 10 is arranged so as to face the surface side of the light guide portion 20.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating light extraction when the end face of the light guide portion 20 is opposed to the end face of the optical element 10.
  • the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are arranged so as to face each other at a position substantially center in the thickness direction of the light guide portion 20.
  • the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are arranged so as to face each other at a position close to the front surface or the back surface of the light guide portion 20.
  • FIG. 7A the example shown in FIG. 7A
  • the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are arranged so as to face each other at a position substantially center in the thickness direction of the light guide portion 20.
  • the light emitting portion 14 and the light incident portion 21 are arranged so as to face each other at a position close to the front surface or the back surface of the light guide portion 20.
  • 7 (c) a part of the end surface of the optical element 10 and the end surface of the light guide portion 20 is formed to be inclined, and the respective inclined surfaces face each other as the light emitting portion 14 and the light incident portion 21.
  • 7 (a) to 7 (c) show an example in which the refractive index adjusting layer 25 is provided between the light emitting portion 14 and the light incident portion 21, but an air gap 24 is provided between the two. Layers may be interposed.
  • the emission angle of the diffracted light is determined by the wavelength of the incident light Lin, the incident position, the incident angle, and the optical design of the diffraction grating portion 11, the thickness of the light guide plate portion 12 and the length of the stretched portion 13 are determined.
  • the position of the light emitting unit 14 can be determined.
  • the thickness, shape, and length of the light guide unit 20 the light can reach the light emitting unit 23.
  • the light emitting unit 14 (first light emitting unit 14a, second light emitting unit 14b) is configured by a flat surface
  • the light incident unit 21 of the light guide unit 20 is flat. It is possible to combine the light propagating inside by simply constructing the surface and facing each other. As a result, in the optical element 10, the diffracted light in the diffraction grating portion 11 can be guided to irradiate the outside with a simple structure, and miniaturization becomes easy.
  • the light guide plate portion 12 is formed into a substantially flat plate shape without requiring special processing.
  • the member can be used as it is.
  • the end surface of the stretched portion 13 as an inclined surface and providing the light emitting portion 14 on the inclined surface, the light totally reflected and propagated in the stretched portion 13 does not satisfy the total reflection condition in the light emitting portion 14. , Light can be satisfactorily propagated to the light incident portion 21.
  • FIGS. 8 to 14 are views for explaining the diffraction and progress of light in the diffraction grating portion 11 in the present embodiment
  • FIG. 8A is a schematic cross-sectional view
  • FIG. 8B is a schematic perspective view. ..
  • the direction perpendicular to the paper surface is the x-axis
  • the right direction of the paper surface is the y-axis
  • the direction on the paper surface is the z-axis.
  • FIG. 8 (b) indicate the same direction as in FIG. 8 (a).
  • 9A and 9B are diagrams for explaining the simulation results of the electric field distribution in the present embodiment, and FIG. 9A is a graph showing the results of simulating the electric field Ey distribution when red light is incident, and FIG. 9A is a graph showing the results. (B) is a graph showing the result of simulating the electric field Eye distribution when green light is incident.
  • the diffraction grating portion 11 is composed of TiO 2 having a total thickness of h, and a slanted grating is formed by forming a recess in an oblique direction with respect to the main surface.
  • a light guide plate portion 12 made of SiO 2 is formed on the diffraction grating portion 11 so as to cover the convex portion 16 and the concave portion (not shown).
  • the convex portion 16 has a height of d, a width of W, and a pitch of ⁇ , and is formed so as to be inclined by an angle ⁇ in the ⁇ y direction.
  • the incident light Lin is polarized in the x-axis direction, and is incident from a direction inclined by an angle ⁇ from perpendicular to the back surface of the diffraction grating portion 11 in the ⁇ y direction.
  • the wavelengths of the incident light Lin are 632.8 nm in red and 532 nm in green, respectively, and the electric field Ey distribution is simulated using the finite difference time domain FDTD (Finite Difference Time Domain) method.
  • the horizontal axis in the figure indicates the position in the y-axis direction in which the convex portion 16 and the concave portion are periodically arranged, and the vertically extending broken line shown in the figure indicates the outer peripheral position of the light diameter of the incident light Lin.
  • the vertical axis indicates the position in the z-axis direction, which is the height direction, and the origin indicates the back surface of the diffraction grating portion 11.
  • the grating shape is shown in white in the figure, and the shading in the figure shows the electric field distribution.
  • the refractive index of the diffraction grating portion 11 was 2.52, the refractive index of the light guide plate portion 12 was 1.54, and the refractive index of air was 1.00.
  • the pitch ⁇ between the convex portion 16 and the concave portion is 704 nm
  • the width W of the convex portion 16 is 230 nm
  • the height d of the convex portion 16 is 210 nm
  • the thickness h of the entire diffraction grating portion 11 is 1.0 ⁇ m. ..
  • the incident light Lin was set to a divergence angle of 6.12 degrees with a diameter of 10 ⁇ m.
  • the tilt angle ⁇ of the slanted grating was set to 55 degrees.
  • the incident angle ⁇ of the incident light Lin to the back surface of the diffraction grating portion 11 was set to 23 degrees.
  • the graphs shown in the upper part of FIGS. 9A and 9B show the left side of the incident position of the incident light Lin, and show the light traveling in the ⁇ y direction from the incident position of the incident light Lin. ..
  • the graphs shown in the lower part of FIGS. 9A and 9B show the right side of the incident position of the incident light Lin, and show the light traveling in the + y direction from the incident position of the incident light Lin.
  • the arrow shown in the figure is a light propagation vector inside the optical element 10.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an outline of an experimental device for detecting +1st order light I1 and 2nd order light I2.
  • a green laser continuously having a wavelength of 532 nm
  • a variable wavelength laser continuously having a wavelength of 852.3 ⁇ 15 nm
  • a red laser continuously laser
  • Mirror M1 and flip mirror FM1 and FM2 are arranged on the optical paths of the three light sources, respectively, and the light reaches the mirror M2 in the same optical path.
  • the light reflected by the mirror M2 reaches the mirror M3 via the half-wave plate HWP, the polarizing element P, the aperture AP, and the lens.
  • the mirror M3 is arranged on the rotation stage, and the angle with respect to the optical path is changed as the rotation stage rotates.
  • the optical element 10 is arranged on the double rotation stage, and the double rotation stage is arranged on the moving stage.
  • the light that reaches the mirror M3 is reflected and incident on the diffraction grating portion 11 of the optical element 10, is totally reflected inside the light guide plate portion 12, and is +1 from the first light emitting portion 14a and the second light emitting portion 14b, respectively.
  • the secondary light I1 and the secondary light I2 are emitted.
  • the rotation stage When the rotation stage is rotated to change the angle of incidence of light on the mirror M3, the position where the reflected light reached by the mirror M3 changes, but the double rotation stage on the moving stage is moved in the vertical direction in the figure. As a result, the reflected light can be incident on the diffraction grating portion 11. Further, by rotating the double rotation stage, the angle ⁇ at which the reflected light from the mirror M3 is incident on the diffraction grating portion 11 can be changed.
  • the incident angle ⁇ of the incident light Lin to the diffraction grating portion 11 and the +1st order light I1 and the second order light I2 The relationship between the emitted light intensity can be measured.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing the emission of the +1st order light I1 and the 2nd order light I2 when the incident light Lin on the optical element 10 is incident at an angle ⁇ .
  • Light is emitted from the diffraction grating portion 11 to which the incident light Lin is incident, and bright spots of internal total internal reflection (TIR) are generated in the first stretched portion 13a and the second stretched portion 13b.
  • the +1st-order light I1 and the second-order light I2 are irradiated to the outside from the first light emitting part 14a and the second light emitting part 14b provided at the ends of the first stretching portion 13a and the second stretching portion 13b. .. Further, in the region where the diffraction grating portion 11 is provided, the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 are irradiated from the main surface of the optical element 10.
  • FIG. 12 is a cross-sectional SEM photograph of the optical element 10.
  • the lower region in the figure is an air layer, and the diffraction grating portion 11 made of TiO 2 and the light guide plate portion 12 made of SiO 2 formed so as to cover the diffraction grating portion 11 are laminated.
  • the direction perpendicular to the paper surface is the x-axis direction
  • the right direction in the figure is the y-axis direction
  • the upper direction in the figure is the z-axis direction.
  • the arrows drawn in the air layer schematically show the incident position of the incident light Lin and the reflected light R.
  • the solid arrow shown in the diffraction grating portion 11 shows the optical path of the incident light Lin diffracted by the slanted grating, and the arrow shown by the broken line schematically shows the leakage propagating light.
  • the arrows shown in the light guide plate portion 12 indicate the traveling directions of the 0th-order light T1, the -1st-order light T2, the + 1st-order light I1 and the -2nd-order light I2 diffracted by the diffraction grating portion 11, respectively.
  • the incident angle ⁇ 23 degrees of the incident light Lin
  • the 0th order light T1 is diffracted in the 31 degree direction
  • the -1st order light T2 is diffracted in the -12 degree direction
  • +1 the secondary light I1
  • the secondary light I2 is diffracted in the ⁇ 56 degree direction.
  • the total reflection condition in the light guide plate portion 12 is 42.7 degrees
  • the +1st order light I1 and the second order light I2 satisfy the total reflection condition.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the incident angle ⁇ of the incident light Lin and the intensity of the emitted light from the optical element 10 measured by using a red laser as a light source as the device shown in FIG.
  • the lines plotted with circles indicate the emitted light intensity of the +1st order light I1.
  • the lines plotted by the triangle marks indicate the emitted light intensity of the secondary light I2.
  • the lines plotted with the large square marks indicate the total emitted light intensity of the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2.
  • the lines plotted with small square marks indicate the emitted light intensity of the reflected light R.
  • the +1st order light I1 was observed in the range of 22 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 27 degrees, and the maximum emission light intensity was obtained in the range of 23 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 25 degrees.
  • the secondary light I2 was observed in the range of 23 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 25 degrees and 35 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 37.5 degrees, and the maximum emitted light intensity was obtained in the range of 23 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 25 degrees. .. Therefore, when the light emitted by the light source unit is red, the incident angle ⁇ of the incident light Lin is set to a range of 20 degrees or more and 30 degrees or less, so that the +1st order light I1 is emitted from the first light emitting unit 14a.
  • the incident angle ⁇ is set to the range of 23 degrees or more and 25 degrees or less.
  • the +1st order light I1 from the first light emitting part 14a and the second order light I2 from the second light emitting part 14b are simultaneously emitted. be able to.
  • the incident angle ⁇ in the range of 35 degrees or more and 37.5 degrees or less, the secondary light I2 can be selectively emitted only from the second light emitting unit 14b.
  • the incident angle ⁇ of the incident light Lin is preferably in the range of 15.0 degrees or more and 30.0 degrees or less, and more preferably 17.0 degrees or more and 18. The range is 0 degrees or less.
  • the incident angle ⁇ of the incident light Lin is preferably in the range of 0 degrees or more and 11.0 degrees or less, and more preferably 5.0 degrees or more and 6.0 degrees.
  • the range is as follows.
  • FIG. 14 is a photograph showing an experiment with the apparatus shown in FIG. 10, FIG. 14 (a) shows irradiation of red light with the illumination turned on, and FIG. 14 (b) shows a state with the illumination turned off. 14 (c) shows the irradiation of green light with the illumination turned on, and FIG. 14 (d) shows the irradiation of green light with the illumination turned off. ..
  • the diffracted light in the diffraction grating portion 11 can be waveguideed to irradiate the outside with a simple structure, and the miniaturization becomes easy. Further, by setting the incident angle ⁇ of the incident light Lin to an appropriate range, the +1st order light I1 is emitted from the first light emitting unit 14a and the second light I2 is emitted from the second light emitting unit 14b. Can be selected.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing an outline of an experimental device for observing a far-field image by the + 1st order light I1 emitted from the optical element 10.
  • a green laser, a tunable laser, and a red laser were prepared as light sources.
  • a mirror M1 and a flip mirror FM1 and FM2 are arranged on the optical paths of the three light sources, respectively, and the light reaches the mirror M2 through a plurality of lenses and a test target in the same optical path.
  • the light reflected by the mirror M2 reaches the mirror M3 via the half-wave plate HWP, the polarizing element P, and the aperture AP.
  • the light that reaches the mirror M3 is reflected and incident on the diffraction grating portion 11 of the optical element 10 via the lens, is totally reflected inside the light guide plate portion 12, and the +1st order light I1 is emitted from the first light emitting portion 14a. Will be done.
  • a screen was placed on the optical path of the +1st order light I1, and far-field images were observed at distances of 100 mm, 150 mm, and 200 mm from the first light emitting portion 14a.
  • FIG. 15B shows the structure of the test target placed between the lens and the mirror M2.
  • the test target is a member in which a black pattern is formed on a transparent plate to block light. Of the irradiated light, the area where the pattern is formed is blocked, and the light is transmitted in the area where the pattern is not formed. do.
  • the circle drawn in FIG. 15B indicates the light diameter of the light emitted from the light source unit, and the light is blocked by the pattern arranged in the circle, so that the light incident on the optical element 10 is emitted.
  • the shape is such that a square non-irradiated area is provided in the center of the circle.
  • FIGS. 16 is a photograph showing an experiment with the apparatus shown in FIG. 15, FIGS. 16 (a) to 16 (c) show a case where red light is incident, and FIGS. 16 (d) to 16 (f) show green light. Is shown when the light is incident. 16 (a) and 16 (d) are observations at the 100 mm position, FIGS. 16 (b) and 16 (e) are observations at the 150 mm position, and FIGS. 16 (c) and 16 (f) are observations at the 200 mm position. It is an observation. Further, the enlarged views shown in FIGS. 16A and 16D show the shape of the incident light Lin at the position between the mirror M3 and the lens in FIG.
  • the arrow shown by the broken line in the figure represents the optical path of the incident light Lin and the + 1st order light I1, and the far-field image is observed on the screen placed at the tip of the arrow.
  • a non-irradiated region on a rectangle is formed substantially in the center of the region irradiated with light. Therefore, it can be confirmed that the optical element 10 of the present embodiment forms a far-field image reflecting the shape of the incident light Lin.
  • FIGS. 17 to 19 are diagrams showing observation results of a far-field image when the test target is moved laterally by the apparatus shown in FIG.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing the moving direction of the test target (TT) and the observation of the far-field image.
  • the screen position is 100 mm.
  • the test target shown in FIG. 15 (b) is used.
  • FIGS. 18 (a) to 18 (f) are photographs showing a far-field image observed on a screen, and FIGS. 18 (a) to 18 (c) show a case where red light is incident, and FIGS. 18 (d) show. ⁇ (F) shows the case where green light is incident.
  • the movement amount of the test target is +10 mm in FIGS. 18 (a) and 18 (d), 0 mm in FIGS. 18 (b) and (e), and -10 mm in FIGS. 18 (c) and 18 (f). be.
  • the dashed arrow shown in the figure indicates the position of one side of the rectangular pattern on the test target. As shown in FIGS. 18A to 18F, it can be confirmed that the far-field image projected on the screen also moves as the test target moves laterally.
  • FIGS. 19 (a) and 19 (b) are graphs showing the light intensity distribution in the far-field image
  • FIG. 19 (a) shows the case of red
  • FIG. 19 (b) shows the case of green
  • the darkest line in the graph shows + 10 mm movement
  • the lightest line shows 0 mm movement
  • the medium dark line shows -10 mm movement.
  • the horizontal axis indicates the horizontal position on the screen
  • the dip in the graph near 5 mm corresponds to the non-irradiated area where the light is blocked by the rectangular pattern.
  • FIGS. 19A and 19B it can be confirmed that the non-irradiated area moves with the movement of the test pattern.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the deformation of the projected image due to the projection distance
  • FIG. 20 (a) is a schematic diagram for explaining the distribution of the diffraction angle when the incident light Lin is focused and irradiated on the optical element 10.
  • 20 (b) is a schematic diagram showing changes in the far-field image.
  • the incident light Lin focused by the lens differs in the incident angle when it reaches the diffraction grating portion 11 depending on the irradiation region. Therefore, the traveling direction of the diffracted light due to the slanted grating of the diffraction grating portion 11 differs depending on the in-plane position of the diffraction grating portion 11, and the path propagating in the light guide plate portion 12 by total reflection (TIR) also differs.
  • TIR total reflection
  • the +1st order light I1 and the 2nd order light I2 are magnified in the uniaxial direction when the projection distance is 100 mm, as shown in FIG. 20 (b). As the projection distance increases, the image is further enlarged in the uniaxial direction.
  • the optical element 10 of the present embodiment can project a projected image reflecting the image shape of the incident light Lin as a far-field image. It is also possible to change the projection position of the far-field image as the image moves. Further, since the projected image is enlarged in the uniaxial direction according to the projection distance, the aspect ratio of the projected image can be kept constant by compressing the image in the uniaxial direction according to the distance.
  • an optical element and an image projection device that can easily irradiate light to the outside by waveguideing diffracted light in a diffraction grating with a simple structure and can be easily miniaturized.

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Abstract

複数の凸部および凹部が周期的に形成された回折格子部（１１）と、回折格子部（１１）と異なる屈折率の材料からなり、回折格子部（１１）を覆って形成される導光板部（１２）とを備え、導光板部（１２）は、一方に延伸された第１延伸部（１３ａ）を有し、第１延伸部（１３ａ）の端部近傍には平坦な第１光出射部（１４ａ）が形成されており、回折格子部（１１）による回折光のうち少なくともプラスの一次回折光が、第１延伸部（１３ａ）内を全反射して導波され、第１光出射部（１４ａ）まで到達する光学素子。

Description

光学素子および画像投影装置
　本発明は、光学素子および画像投影装置に関し、特に回折格子を用いた光学素子および画像投影装置に関する。
　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。
　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）。このような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望まれている。
　一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子を備えた光学素子を用いている。このような回折格子を備える光学素子を用いたＨＵＤでは、光源から所定の入射角度で回折格子に光を照射し、回折光が光学素子の内部を導波して光出射部から外部に投影される。
日本国特開２０１８－１１８６６９号公報 日本国特表２０１８－５２８４４６号公報
　光学素子から光を投影するためには、回折格子やハーフミラーを光出射用の光学要素として、光学素子の導波板内部または外部に設ける必要がある。しかし、光学素子の内部に光出射用の光学要素を形成することは、製造工程が増加するうえに光学素子の小型化が困難になる。また、光学素子の外部に光出射用の光学要素を設けるためにも、光出射用の光学要素を配置できるサイズの導波板を用いる必要があるため、小型化が困難になる。また、微小サイズの光学要素を光出射用の光学要素として用いると、導波板での位置決め精度が必要であり組立工程が煩雑化し、製造歩留まりも低下する。
　本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の一態様の光学素子は、複数の凸部および凹部が周期的に形成された回折格子部と、前記回折格子部と異なる屈折率の材料からなり、前記回折格子部を覆って形成される導光板部とを備え、前記導光板部は、一方に延伸された第１延伸部を有し、前記第１延伸部の端部近傍には平坦な第１光出射部が形成されており、前記回折格子部による回折光のうち少なくとも一方の一次回折光が、前記第１延伸部内を全反射して導波され、前記第１光出射部まで到達する。
　このような本発明の一態様の光学素子では、回折格子部による回折光のうち少なくとも一方の一次回折光が、第１延伸部内を全反射して導波され第１光出射部まで到達し、平坦な第１光出射部から光学素子の外部に光が取り出される。これにより、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置を提供することができる。
　また、本発明の一態様では、前記導光板部は、前記第１延伸部と反対側に延伸された第２延伸部を有し、前記第２延伸部の端部近傍には平坦な第２光出射部が形成されており、前記回折格子部による回折光のうち他方の二次回折光が、前記第２延伸部内を全反射して導波され、前記第２光出射部まで到達する。
　また、本発明の一態様では、前記凸部は、主面に対して角度φだけ傾斜してスランテッドグレーティングを構成し、前記第１延伸部は、前記凸部の傾斜方向と反対側に延伸されている。
　また、本発明の一態様では、前記第１光出射部は、前記第１延伸部の端面、表面または裏面の何れか一箇所に設けられている。
　また、本発明の一態様では、前記回折格子部による回折光のうち、０次回折光および他方の一次回折光は、前記導光板部の主面を透過して出射する。
　また、本発明の一態様の画像表示装置は、上記何れか一つに記載の光学素子と、前記導光板部と光学的に結合されて、内部で光を導波するライトガイド部とを備え、前記ライトガイド部は、前記第１光出射部と対向する光入射部と、導波された光を出射する光出射部を備える。
　また、本発明の一態様では、前記光出射部には、回折格子が形成されている。
　また、本発明の一態様では、前記回折格子部に対して光を照射する光源部を備え、前記光源部は、前記凸部の傾斜方向に角度Θだけ傾斜した方向から前記回折格子部に光を照射する。
　本発明では、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置を提供することができる。
図１は第１実施形態における光学素子１０の構造を示す模式断面図である。 図２は回折格子部１１の構造例を示す部分拡大断面図である。 図３は第２実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式断面図である。 図４は第２実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式斜視図である。 図５は第３実施形態における光学素子１０とライトガイド部２０の配置例を示す模式図である。 図６は光学素子１０の主面にライトガイド部２０の表面または裏面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。 図７は光学素子１０の端面にライトガイド部２０の端面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。 図８は第４実施形態において、回折格子部１１での光の回折と進行について説明する図であり、図８（ａ）は模式断面図であり、図８（ｂ）は模式斜視図である。 図９は第４実施形態において、電場分布のシミュレーション結果について説明する図であり、図９（ａ）は赤色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布を示すグラフであり、図９（ｂ）は緑色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布を示すグラフである。 図１０は＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２を検出するための実験装置の概要を示す模式図である。 図１１は光学素子１０への入射光Ｌｉｎを角度Θで入射させた場合の＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射を模式的に示す斜視図である。 図１２は光学素子１０の断面ＳＥＭ写真である。 図１３は図１０に示した装置として赤色レーザを光源として用いて測定した、入射光Ｌｉｎの入射角度Θと光学素子１０からの出射光強度の関係を示したグラフである。 図１４は図１０に示した装置での実験を示す写真であり、図１４（ａ）は照明を点灯した状態での赤色光の照射を示し、図１４（ｂ）は照明を消灯した状態での赤色光の照射を示し、図１４（ｃ）は照明を点灯した状態での緑色光の照射を示し、図１４（ｄ）は照明を消灯した状態での緑色光の照射を示している。 図１５（ａ）は光学素子１０から出射される＋１次光Ｉ１による遠視野像を観測するための実験装置の概要を示す模式図であり、図１５（ｂ）はレンズとミラーＭ２の間に配置したテストターゲットの構造を示す図である。 図１６は図１５に示した装置での実験を示す写真であり、図１６（ａ）～（ｃ）は赤色光を入射した場合を示し、図１６（ｄ）～（ｆ）は赤色光を入射した場合を示している。図１６（ａ）、（ｄ）に示した拡大図は、図１５におけるミラーＭ３とレンズの間の位置での入射光Ｌｉｎの形状を示している。 図１７は図１５に示した装置での、テストターゲットを横方向に移動した場合の遠視野像の観測結果を示す図である。 図１８はスクリーン上で観測された遠視野像を示す写真であり、図１８（ａ）～（ｃ）は赤色光を入射した場合を示し、図１８（ｄ）～（ｆ）は緑色光を入射した場合を示している。 図１９は遠視野像における光強度分布を示すグラフであり、図１９（ａ）は赤色の場合を示し、図１９（ｂ）は緑色の場合を示している。 図２０は投影距離による投影画像の変形について説明する図であり、図２０（ａ）は光学素子１０に入射光Ｌｉｎが集光して照射された場合の回折角度の分布について説明する模式図であり、図２０（ｂ）は遠視野像の変化を示す模式図である。
　（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の構造を示す模式断面図である。図１に示すように光学素子１０は、回折格子部１１と、回折格子部１１を覆って形成される導光板部１２を備えている。回折格子部１１は、複数の凸部および凹部が周期的に形成された光学要素である。導光板部１２は回折格子部１１とは異なる屈折率の材料からなる略平板状の部材である。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。
　図２は、回折格子部１１の構造例を示す部分拡大断面図である。図２に示すように回折格子部１１は略平板状の板状部１５と、板状部１５の主面に形成された複数の凸部１６を備えている。板状部１５と凸部１６は、同一の材料で一体に形成されている。複数の凸部１６は周期的に並んで形成されており、隣り合う凸部１６の間には凹部が構成される。図１に示した例では、回折格子部１１の凸部１６と凹部は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。凸部１６は、板状部１５の主面に対して所定の角度φだけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。
　図１に示したように、導光板部１２の一面には回折格子部１１の形状となる溝が形成されており、当該溝に回折格子部１１の材料が埋め込まれることで回折格子部１１が構成されている。したがって、導光板部１２は回折格子部１１を覆って形成されている。
　また導光板部１２には、回折格子部１１が形成された領域から一方に板状の第１延伸部１３ａが延伸して形成されており、第１延伸部１３ａの端部近傍には平坦な第１光出射部１４ａが設けられている。同様に、導光板部１２には、回折格子部１１が形成された領域から他方に板状の第２延伸部１３ｂが延伸して形成されており、第２延伸部１３ｂの端部近傍には平坦な第２光出射部１４ｂが設けられている。
　回折格子部１１を構成する材料は限定されないが、導光板部１２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１１は公知の方法で形成することができ、例えばフォトリソグラフィ技術や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。また、導光板部１２を傾斜させた状態で保持し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等を用いることで、凸部１６を角度φだけ傾斜して形成することができる。
　回折格子部１１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く、例えば全厚ｈが７８８±１２ｎｍ程度、凸部１６の高さｄが２１０±１０．５ｎｍ程度、凸部１６の幅ｗが２３０ｎｍ程度、凸部１６のピッチΛが６９６ｎｍ程度である。また、導光板部１２のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１５ｍｍ、厚さｔ＝０．５～２０ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光板部１２を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ２を主成分とするガラスやポリマーを用いることが好ましい。
　凸部１６の傾斜角度φは、－４５度以上４５度以下の範囲であることが好ましい。傾斜角度φが上記範囲外の場合には、凸部１６の形成が困難になるうえに、凸部１６が凹部の上方にオーバーハングする領域が大きくなりすぎ、回折格子部１１の面内における周期的な屈折率差が小さくなり、回折格子の機能が低下する。傾斜角度φが小さすぎる場合には、凸部１６が回折格子部１１の主面に垂直なピラードグレーティングに近くなり、スランテッドグレーティングによる利点が生じ難くなる。ここで、スランテッドグレーティングを構成する凸部１６と凹部の形状としては、凸部１６の側面が平行に傾斜している場合だけではなく、凸部１６の両側面の傾斜が異なっている場合も含める。このとき、凸部１６の傾斜角度φとは、凸部１６の上端と下端における中央を結んだ線が、回折格子部１１の主面との間でなす角度である。
　次に図１を用いて、光学素子１０における光路について説明する。なお図１は、矢印を用いて光学素子１０における光の進行を模式的に示したものであり、正確な光の入射位置や進行経路、出射位置を反映したものではない。
　図示しない光源部からは、光学素子１０に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。光源部から照射された入射光Ｌｉｎは、回折格子部１１の界面に傾斜角度Θで入射し、その一部が界面で反射光Ｒとして反射され、その他の光は回折格子部１１内に入射する。ここで、入射光Ｌｉｎの傾斜角度Θと、回折格子部１１における凸部１６の傾斜方向とは同じ方向である。また、入射光Ｌｉｎの偏光方向は、凸部１６のストライプとは平行な方向とされている。
　回折格子部１１内に入射した光は、周期的な凸部１６と導光板部１２との屈折率差により一部が回折光として所定角度で導光板部１２内に到達し、一部は伝搬光として回折格子部１１の板状部１５の面内を漏れ伝搬光として伝搬する。
　図１に示した例では、回折格子部１１により回折された光のうち、０次光Ｔ１は導光板部１２を透過して導光板部１２の外部に照射される。また、凸部１６が傾斜した方向に回折された一次光（－１次光Ｔ２）も、導光板部１２を透過して導光板部１２の外部に照射される。これは、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、回折格子部１１および導光板部１２の主面に対して垂直に近い角度で回折されて、導光板部１２と空気層との界面における全反射条件を満たさないためである。
　また、凸部１６の傾斜と反対方向に回折された一次光（＋１次光Ｉ１）は、導光板部１２と空気層の界面により全反射して第１延伸部１３ａ内を伝搬し、第１延伸部１３ａの端部における平坦な第１光出射部１４ａに到達し、導光板部１２の外部に照射される。同様に、凸部１６の傾斜した方向に回折された二次光（－２次光Ｉ２）も、導光板部１２と空気層の界面により全反射して第２延伸部１３ｂ内を伝搬し、第２延伸部１３ｂの端部における平坦な第２光出射部１４ｂに到達し、導光板部１２の外部に照射される。
　導光板部１２と空気層の界面での全反射条件は、導光板部１２を構成する材料の屈折率で決まる。したがって、回折格子部１１で回折される＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２の回折角が、当該全反射条件を満たすように回折格子部１１を設計する。また、光源部からの入射光の傾斜角Θも回折条件と全反射条件を満たすように設定することで、図１に示したように＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２を導光板部１２内で全反射させ、第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂまで到達させることができる。
　ここで、第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂは平坦な面として形成されており、全反射条件を満たしてしまうと光の取り出しができないため、空気層との屈折率差を小さくするための反射防止膜や屈折率調整膜を形成する等により光取り出しを行う。また、後述するように、他の導光部材を第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂに近接して配置することで、他の導光部材に光を伝搬させるとしてもよい。
　なお、導光板部１２から照射される０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２は、実際には導光板部１２と外部との屈折率差によって屈折して角度が変化するが、図１では簡便のために直線状の矢印で表現している。
　上述したように、本実施形態の光学素子１０では、回折格子部１１による回折光のうち凸部１６の傾斜と反対側に回折されるプラスの一次回折光（＋１次光Ｉ１）が、第１延伸部１３ａ内を全反射して導波され、第１光出射部１４ａまで到達し、平坦な第１光出射部１４ａから光学素子の外部に光が取り出される。これにより、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易となる。
　また、回折格子部１１による回折光のうち凸部１６の傾斜と同じ側に回折されるマイナスの二次回折光（－２次光Ｉ２）が、第２延伸部１３ｂ内を全反射して導波され、第２光出射部１４ｂまで到達し、平坦な第１光出射部１４から光学素子の外部に光が取り出される。これにより、一つの回折格子部１１に一つの光源部から入射光Ｌｉｎを照射するだけで、＋１次光Ｉ１とは反対方向にも－２次光Ｉ２を伝搬させることができる。
　また、回折格子部１１による回折光のうち０次回折光（０次光Ｔ１）と、凸部１６の傾斜と同じ側に回折されるマイナスの一次回折光（－１次光Ｔ２）は、回折格子部１１が形成された領域から外部に取り出される。これにより、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の他に、さらに二方向に対して光を照射することができる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図３、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３は、本実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式断面図である。図４は、本実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式斜視図である。図３，図４に示すように、画像投影装置１００は、第１実施形態で示した光学素子１０と、ライトガイド部２０と、プリズム部３０と、投影板部４０とを備えている。また、ライトガイド部２０は、光入射部２１と、導波部２２と、光出射部２３を備えている。
　ライトガイド部２０は、光学素子１０に隣接して設けられた光学部材であり、光学素子１０が出射する光に対して透明な材料で構成されている。ライトガイド部２０のうち、光学素子１０の第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂと対向する領域には光入射部２１が形成されており、光学素子１０内部を伝搬して第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂまで到達した光が、ライトガイド部２０内部に取り込まれる。また、ライトガイド部２０は光入射部２１と同じ材料で一体に形成された導波部２２を備えており、光入射部２１から取り込まれた光は、導波部２２の内部を全反射しながら伝搬して光出射部２３まで到達する。光出射部２３は、ライトガイド部２０から外部に光を取り出すための光学的な要素であり、例えば回折格子を用いることができる。
　図３では、光入射部２１として導波部２２の端面を傾斜させた形状を示しているが、光学素子１０の第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂに対向して設けられていれば形状は限定されない。また、光入射部２１と第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂとの間は、間隙が設けられていても接触していてもよい。また図３では、導波部２２として平板状の形状を示しているが、内部を光が全反射して伝搬できれば曲面形状であってもよい。また、光出射部２３の回折格子は、導波部２２の一部に溝を形成することで構成してもよく、導波部２２とは別体で回折格子を形成して接着するとしてもよい。
　プリズム部３０は、光学素子１０の０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が照射される光路上に配置された光学部材であり、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２を屈折させて照射方向を変更する。図３では、プリズム部３０として二枚のプリズムを重ね合わせた構造を示しているが、さらに多数のプリズムを用いるとしてもよく、単一のプリズムを用いるとしてもよい。また、プリズム部３０の代わりにレンズ等を用いるとしてもよい。また、プリズム部３０はライトガイド部２０とは別体に形成するとしてもよく、一体に形成するとしてもよい。
　投影板部４０は、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２の光路上に配置された部材であり、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２の少なくとも一部を反射する部材で構成されている。０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が投影板部４０に到達すると、光の一部が反射されるため視聴者は０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２により照射された光により画像を視認することができる。投影板部４０の具体的材料は限定されないが、紙や樹脂、ガラス等を用いることができる。また、車両のフロントガラスやヘルメットのウィンドシールド、スクリーンや壁面等を投影板部４０として用いることができる。
　図３、図４に示したように、光源部から照射された入射光Ｌｉｎは、光学素子１０の回折格子部１１に入射角度Θで入射し、一部が反射光Ｒとして反射され、一部が回折格子部１１内に到達する。回折格子部１１内に到達した光は、回折条件を満たす方向に回折される。回折格子部１１による０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、導光板部１２を透過してプリズム部３０に入射し、画像投影装置１００の前方（図３における紙面上方）に照射される。回折格子部１１による＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は、第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂから光入射部２１に到達し、導波部２２内を全反射して光出射部２３に到達し、画像投影装置１００の後方（図３における紙面下方）に照射される。
　光出射部２３から照射された０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、光径を拡大しながら視聴者の視点に到達する。これにより、視聴者にはライトガイド部２０よりも遠方に焦点を結んで進行してきた光と同じ光路となり、視聴者は空間上にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を視認する。また、プリズム部３０を介して前方に照射された０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、投影板部４０の表面上に投影画像Ｖ１，Ｖ２を投影する。したがって視聴者は、空間上に結像されたエアリアルイメージＡ１，Ａ２と、投影板部４０表面に投影された投影画像Ｖ１，Ｖ２を同時に視認することができる。ここで、エアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像位置が投影画像Ｖ１，Ｖ２と視点との間になるように設計する場合には、投影画像Ｖ１，Ｖ２とエアリアルイメージＡ１，Ａ２を重ね合わせて視認させることができる。
　上述したように本実施形態の画像投影装置１００では、光学素子１０に隣接してライトガイド部２０を配置することで、光学素子１０の内部を伝搬して第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂまで到達した光を良好に導波して、光出射部２３で外部に対して光を照射することができる。光学素子１０として第１実施形態に示したものを用いることで、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易となる。
　また、光学素子１０は回折条件や全反射条件、入射光Ｌｉｎの入射角度Θ等の制約が厳しく自由度が低いが、光学素子１０とは別体でライトガイド部２０を構成することで、導波部２２と光出射部２３の設計を変更するだけで光出射方向を調整することができるため、画像投影装置１００全体としての設計自由度は向上する。
　また、光学素子１０の前方にプリズム部３０を配置することで、光学素子１０から照射される０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２を適切な位置に投影して投影画像Ｖ１，Ｖ２を表示することが可能となる。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について図５～図７を用いて説明する。第２実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、光学素子１０とライトガイド部２０の間で光学的な結合をするための他の構造例を説明する。図５は、本実施形態における光学素子１０とライトガイド部２０の配置例を示す模式図である。
　図５（ａ）に示す例では、光学素子１０の端面に光出射部１４（第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂ）が設けられており、ライトガイド部２０の端面に光入射部２１が設けられている。また、ライトガイド部２０の厚さ方向における略中央の位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。
　図５（ｂ）に示す例では、光学素子１０の端面に光出射部１４が設けられており、ライトガイド部２０の端面に光入射部２１が設けられている。また、ライトガイド部２０の表面または裏面に近い位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。
　図５（ｃ）に示す例では、光学素子１０の主面に光出射部１４が設けられており、ライトガイド部２０の表面または裏面に光入射部２１が設けられており、光出射部１４と光入射部２１が対向して配置されている。
　図６は、光学素子１０の主面にライトガイド部２０の表面または裏面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。図６（ａ）は、光学素子１０の主面全体を覆ってライトガイド部２０が配置された例を示し、図６（ｂ）は、回折格子部１１が設けられた領域を除いて延伸部１３（第１延伸部１３ａ、第２延伸部１３ｂ）にのみライトガイド部２０が配置された例を示している。また、図６（ａ）では光学素子１０の光出射部１４とライトガイド部２０の光入射部２１との間には間隙２４が設けられた例を示しており、図６（ｂ）では、間隙２４に屈折率調整層２５が形成された例を示している。
　ここで間隙２４としては、延伸部１３内を伝搬してきた光が、光出射部１４で全反射せずに導波部２２に伝搬するように、光学的に結合されうる距離とすることが好ましい。具体的には、例えば１００λμｍ以下の距離とすることが好ましい。また、屈折率調整層２５としては、延伸部１３および導波部２２を構成する材料と屈折率が近い材料を用いることが好ましく、例えば両者との屈折率差が０．２６以下であることが好ましい。屈折率調整層２５としては例えば屈折率１．５２の接触液を用いることができる。また、延伸部１３と導波部２２とが光学的に結合せず、延伸部１３と空気層との界面で光を全反射させる距離の間隙２４を設け、光出射部１４および光入射部２１との間にのみ屈折率調整層２５を設けるとしてもよい。
　図６（ａ）、（ｂ）に示したように、回折格子部１１に照射された入射光Ｌｉｎは、回折格子部１１で回折されて０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が出射し、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が延伸部１３内を全反射して伝搬する。回折光の出射角度は、入射光Ｌｉｎの波長、入射位置、入射角度および回折格子部１１の光学設計によって決まるため、導光板部１２の厚さと延伸部１３の長さを適切に設定することで、光出射部１４の位置を決めることができる。
　光出射部１４まで到達した光は、間隙２４または屈折率調整層２５を介して対向配置された光入射部２１から導波部２２内に伝搬する。導波部２２内に入射した光は全反射しながらライトガイド部２０を伝搬して光出射部２３まで到達し、外部に照射される。ここで、光出射部１４から光入射部２１に入射する光は、前述したように入射光Ｌｉｎの波長、入射位置、入射角度および回折格子部１１の光学設計によって、光出射位置および光出射角度が決まる。したがって、ライトガイド部２０の厚さや形状、長さを適切に設定することで、光出射部２３に光を到達させることができる。
　図６では光学素子１０の主面のうち、回折格子部１１が設けられていない表面側に光出射部１４を設けた例を示したが、回折格子部１１が設けられた裏面側に光出射部１４を設けるとしてもよい。その場合には、ライトガイド部２０の表面側に光入射部２１を設け、光学素子１０をライトガイド部２０の表面側に対向して配置する。
　図７は、光学素子１０の端面にライトガイド部２０の端面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。図７（ａ）に示す例では、ライトガイド部２０の厚さ方向における略中央の位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。図７（ｂ）に示す例では、ライトガイド部２０の表面または裏面に近い位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。図７（ｃ）に示す例では、光学素子１０の端面とライトガイド部２０の端面における一部が傾斜して形成されており、それぞれの傾斜面が光出射部１４と光入射部２１として対向配置されている。図７（ａ）～図７（ｃ）では、光出射部１４と光入射部２１の間に屈折率調整層２５が設けられた例を示したが、両者の間に間隙２４を設けて空気層を介在させるとしてもよい。
　図７に示した例でも、回折光の出射角度は、入射光Ｌｉｎの波長、入射位置、入射角度および回折格子部１１の光学設計によって決まるため、導光板部１２の厚さと延伸部１３の長さを適切に設定することで、光出射部１４の位置を決めることができる。また、ライトガイド部２０の厚さや形状、長さを適切に設定することで、光出射部２３に光を到達させることができる。
　本実施形態の光学素子１０では、光出射部１４（第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂ）を平坦な面で構成しているため、ライトガイド部２０の光入射部２１を平坦な面で構成して対向させるだけで、内部を伝搬する光の結合を行うことができる。これにより光学素子１０では、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化も容易となる。
　また、延伸部１３（第１延伸部１３ａ、第２延伸部１３ｂ）の表面、裏面または端面に光出射部１４を設けることで、特別な加工を必要とせず導光板部１２を略平板状の部材をそのまま用いることができる。また、延伸部１３の端面を傾斜面として、傾斜面に光出射部１４を設けることで、延伸部１３内を全反射して伝搬してきた光が、光出射部１４において全反射条件を満たさず、良好に光入射部２１に対して光を伝搬することができる。
　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態について図８～図１４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８は、本実施形態において、回折格子部１１での光の回折と進行について説明する図であり、図８（ａ）は模式断面図であり、図８（ｂ）は模式斜視図である。図８（ａ）において紙面に垂直な方向をｘ軸とし、紙面右方向をｙ軸とし、紙面上方向をｚ軸としている。図８（ｂ）中に示したｘ軸ｙ軸ｚ軸は図８（ａ）と同じ方向を示している。図９は、本実施形態において、電場分布のシミュレーション結果について説明する図であり、図９（ａ）は赤色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布をシミュレーションした結果を示すグラフであり、図９（ｂ）は緑色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。
　図８（ａ）、（ｂ）に示したように、回折格子部１１は全体の厚さｈのＴｉＯ２からなり、主面に対して斜め方向に凹部を形成することでスランテッドグレーティングが形成されている。回折格子部１１上には凸部１６および凹部を覆ってＳｉＯ２からなる導光板部１２が形成されている（図示省略）。凸部１６は高さがｄ、幅がＷ、ピッチがΛであり、－ｙ方向に角度φだけ傾斜して形成されている。入射光Ｌｉｎは、ｘ軸方向に偏光しており、回折格子部１１の裏面に対して垂直から－ｙ方向に角度Θだけ傾斜した方向から入射される。
　図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ入射光Ｌｉｎの波長を赤色の６３２．８ｎｍと、緑色の５３２ｎｍとして、有限差分時間領域ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて電場Ｅｙ分布をシミュレーションした結果を示している。図中横軸は凸部１６と凹部が周期的に並ぶｙ軸方向の位置を示し、図中に示した縦に伸びる破線は入射光Ｌｉｎの光径の外周位置を示している。図中縦軸は高さ方向であるｚ軸方向の位置を示し、原点は回折格子部１１の裏面を示している。また、図中に白抜きでグレーティング形状を示しており、図中の濃淡は電場分布を示している。
　シミュレーション条件としては回折格子部１１の屈折率を２．５２とし、導光板部１２の屈折率を１．５４とし、空気の屈折率を１．００とした。また、凸部１６と凹部のピッチΛは７０４ｎｍとし、凸部１６の幅Ｗを２３０ｎｍとし、凸部１６の高さｄを２１０ｎｍとし、回折格子部１１全体の厚さｈを１．０μｍとした。また、入射光Ｌｉｎを直径１０μｍの発散角６．１２度とした。スランテッドグレーティングの傾斜角度φは５５度に設定した。また、入射光Ｌｉｎの回折格子部１１裏面への入射角度Θは２３度とした。
　図９（ａ）、（ｂ）の上段に示したグラフは、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも左側を示しており、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも－ｙ方向に進行する光を示している。図９（ａ）、（ｂ）の下段に示したグラフは、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも右側を示しており、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも＋ｙ方向に進行する光を示している。図中に示した矢印は、光学素子１０の内部における光の伝搬ベクトルである。
　図９（ａ）、（ｂ）に示すように、回折格子部１１の内部では、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも後方に対して進行する光と、前方に対して漏れ伝搬光として進行する光が存在する。また、スランテッドグレーティングで回折された光は導光板部１２内で０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２として進行する。
　次に、上述した回折格子部１１を備える光学素子１０を用意し、入射光Ｌｉｎを照射して＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の検出する実験を行った。図１０は、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２を検出するための実験装置の概要を示す模式図である。光源として、緑色レーザ（波長５３２ｎｍの連続光）、波長可変レーザ（波長８５２．３±１５ｎｍの連続光）、赤色レーザ（波長６３２．８ｎｍの連続光）を用意した。
　３つの光源の光路上に、それぞれミラーＭ１、フリップミラーＦＭ１，ＦＭ２を配置し、同一光路でミラーＭ２に光を到達させる。ミラーＭ２で反射された光は、半波長板ＨＷＰ、偏光子Ｐ、アパチャーＡＰ、レンズを経てミラーＭ３に到達する。ミラーＭ３は回転ステージ上に配置されており、回転ステージの回転に伴って光路に対する角度を可変とされている。また、光学素子１０は二重回転ステージ上に配置されており、二重回転ステージは移動ステージ上に配置されている。ミラーＭ３に到達した光は、反射されて光学素子１０の回折格子部１１に入射し、導光板部１２内を全反射されて第１光出射部１４ａと第２光出射部１４ｂから、それぞれ＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２が出射される。
　回転ステージを回転させてミラーＭ３への光の入射角度を変化させると、ミラーＭ３での反射光が到達する位置は変化するが、移動ステージ上の二重回転ステージを図中上下方向に移動させることで、回折格子部１１に反射光を入射させることができる。また、二重回転ステージを回転させることで、ミラーＭ３からの反射光が回折格子部１１に入射する角度Θを変更することができる。したがって、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射方向に受光装置を配置することで、回折格子部１１への入射光Ｌｉｎの入射角度Θと、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射光強度の関係を測定することができる。
　図１１は、光学素子１０への入射光Ｌｉｎを角度Θで入射させた場合の＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射を模式的に示す斜視図である。入射光Ｌｉｎが入射した回折格子部１１には発光が生じ、第１延伸部１３ａおよび第２延伸部１３ｂには内部全反射（ＴＩＲ：Ｔｏｔａｌ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の輝点が生じる。第１延伸部１３ａおよび第２延伸部１３ｂの端部に設けられた第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂからは、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２が外部に照射される。また、回折格子部１１が設けられた領域では、光学素子１０の主面から０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が照射される。
　図１２は、光学素子１０の断面ＳＥＭ写真である。図中下方の領域は空気層であり、ＴｉＯ２で構成された回折格子部１１と、回折格子部１１を覆って形成されたＳｉＯ２からなる導光板部１２が積層されている。図中に示したように、紙面に垂直方向がｘ軸方向であり、図中右方向がｙ軸方向であり、図中上方向がｚ軸方向である。空気層中に描かれた矢印は入射光Ｌｉｎの入射位置と反射光Ｒを模式的に示している。回折格子部１１内に示された実線の矢印は、スランテッドグレーティングで回折される入射光Ｌｉｎの光路を示しており、破線で示された矢印は漏れ伝搬光を模式的に示している。導光板部１２内に示された矢印はそれぞれ、回折格子部１１で回折された０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の進行方向を示している。
　図１２に示したように、入射光Ｌｉｎの入射角度Θ＝２３度の場合には、０次光Ｔ１は３１度方向に回折され、－１次光Ｔ２は－１２度方向に回折され、＋１次光Ｉ１は５６度方向に回折され、－２次光Ｉ２は－５６度方向に回折される。導光板部１２と空気層との屈折率から、導光板部１２での全反射条件は４２．７度であり、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は全反射条件を満たしている。
　図１３は、図１０に示した装置として赤色レーザを光源として用いて測定した、入射光Ｌｉｎの入射角度Θと光学素子１０からの出射光強度の関係を示したグラフである。丸印でプロットした線は、＋１次光Ｉ１の出射光強度を示している。三角印でプロットした線は、－２次光Ｉ２の出射光強度を示している。大きい四角印でプロットした線は、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２の合計の出射光強度を示している。小さい四角印でプロットした線は、反射光Ｒの出射光強度を示している。
　図１３に示したように、２２度≦Θ≦２７度の範囲で＋１次光Ｉ１が観測され、２３度≦Θ≦２５度の範囲で最大の出射光強度が得られた。また、２３度≦Θ≦２５度および３５度≦Θ≦３７．５度の範囲で－２次光Ｉ２が観測され、２３度≦Θ≦２５度の範囲で最大の出射光強度が得られた。したがって、光源部が照射する光が赤色の場合には、入射光Ｌｉｎの入射角度Θを２０度以上３０度以下の範囲とすることで、第１光出射部１４ａから＋１次光Ｉ１を出射することができる。また、入射角度Θを２３度以上２５度以下の範囲とすることで、第１光出射部１４ａからの＋１次光Ｉ１と、第２光出射部１４ｂからの－２次光Ｉ２を同時に出射することができる。また、入射角度Θを３５度以上３７．５度以下の範囲とすることで、第２光出射部１４ｂからだけ－２次光Ｉ２を選択的に出射することができる。
　光源部が照射する光が緑色の場合には、入射光Ｌｉｎの入射角度Θは、１５．０度以上３０．０度以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは１７．０度以上１８．０度以下の範囲である。
　光源部が照射する光が青色の場合には、入射光Ｌｉｎの入射角度Θは、０度以上１１．０度以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは５．０度以上６．０度以下の範囲である。
　図１４は、図１０に示した装置での実験を示す写真であり、図１４（ａ）は照明を点灯した状態での赤色光の照射を示し、図１４（ｂ）は照明を消灯した状態での赤色光の照射を示し、図１４（ｃ）は照明を点灯した状態での緑色光の照射を示し、図１４（ｄ）は照明を消灯した状態での緑色光の照射を示している。
　図１４（ａ）、（ｂ）に示したように、赤色光をΘ＝２３度から照射した際には＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が同時に出射され、出射方向は光学素子１０の主面に垂直な方向から２５度から３７度の方向である。また、入射光Ｌｉｎの光強度を１００％とすると、＋１次光Ｉ１の光強度は２３．０％であり、－２次光Ｉ２の光強度は１９．０％であった。
　図１４（ｃ）、（ｄ）に示したように、緑色光をΘ＝１７．５度から照射した際には＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が同時に出射され、出射方向は光学素子１０の主面に垂直な方向から２０度から３８度の方向であった。また、入射光Ｌｉｎの光強度を１００％とすると、＋１次光Ｉ１の光強度は１０．０％であり、－２次光Ｉ２の光強度は２０．０％であった。ここで、図１４（ｃ）、（ｄ）に示した実験例では、－２次光Ｉ２の出射方向が光学素子１０の光入射面側となっている。しかし、第２延伸部１３ｂの長さを適切に設定して全反射の回数を＋１次光Ｉ１と同じにすることで、＋１次光Ｉ１と同じ面側に出射させることができる。
　同様に青色光をΘ＝５．５度から照射した際には、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が同時に出射される。また、入射光Ｌｉｎの光強度を１００％とすると、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２の光強度は赤色光および緑色光と同様の値となる。
　上述したように、本実施形態の光学素子１０でも、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易となる。また、入射光Ｌｉｎの入射角度Θを適切な範囲に設定することで、第１光出射部１４ａからの＋１次光Ｉ１の出射と、第２光出射部１４ｂからの－２次光Ｉ２の出射を選択することができる。
　（第５実施形態）
　次に、本発明の第５実施形態について図１５～図２０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１５は、光学素子１０から出射される＋１次光Ｉ１による遠視野像を観測するための実験装置の概要を示す模式図である。
　図１５（ａ）に示したように、光源として緑色レーザ、波長可変レーザ、赤色レーザを用意した。３つの光源の光路上に、それぞれミラーＭ１、フリップミラーＦＭ１，ＦＭ２を配置し、同一光路で複数枚のレンズおよびテストターゲットを経て、ミラーＭ２に光を到達させる。ミラーＭ２で反射された光は、半波長板ＨＷＰ、偏光子Ｐ、アパチャーＡＰを経てミラーＭ３に到達する。ミラーＭ３に到達した光は、反射されてレンズを介して光学素子１０の回折格子部１１に入射し、導光板部１２内を全反射されて第１光出射部１４ａから＋１次光Ｉ１が出射される。＋１次光Ｉ１の光路上にスクリーンを置き、第１光出射部１４ａからの距離１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍの位置での遠視野像を観察した。
　図１５（ｂ）はレンズとミラーＭ２の間に配置したテストターゲットの構造を示している。テストターゲットは、透明板に光を遮るための黒色のパターンが形成された部材であり、照射された光のうちパターンが形成された領域は遮られ、パターンが形成されていない領域では光が透過する。図１５（ｂ）中に描いた円形が、光源部から照射された光の光径を示しており、円内に配置されたパターンで光が遮られるため、光学素子１０に入射される光の形状は、円の中央に四角い非照射領域が設けられたものとなる。
　図１６は、図１５に示した装置での実験を示す写真であり、図１６（ａ）～（ｃ）は赤色光を入射した場合を示し、図１６（ｄ）～（ｆ）は緑色光を入射した場合を示している。図１６（ａ）、（ｄ）は１００ｍｍ位置での観測であり、図１６（ｂ）、（ｅ）は１５０ｍｍ位置での観測であり、図１６（ｃ）、（ｆ）は２００ｍｍ位置での観測である。また、図１６（ａ）、（ｄ）内に示した拡大図は、図１５におけるミラーＭ３とレンズの間の位置での入射光Ｌｉｎの形状を示している。
　図中に破線で示した矢印は、入射光Ｌｉｎと＋１次光Ｉ１の光路を表しており、矢印の先に置いたスクリーン上に遠視野像が観測されている。図１６（ａ）～（ｆ）の何れにおいても、光が照射された領域の略中央に矩形上の非照射領域が形成されている。したがって、本実施形態の光学素子１０では、入射光Ｌｉｎでの形状が反映された遠視野像を形成することが確認できる。
　図１７～１９は、図１５に示した装置での、テストターゲットを横方向に移動した場合の遠視野像の観測結果を示す図である。図１７は、テストターゲット（Ｔ．Ｔ．）の移動方向と遠視野像の観測を示す模式図である。スクリーン位置は１００ｍｍとしている。テストターゲットは図１５（ｂ）に示したものを用いている。
　図１８（ａ）～（ｆ）は、スクリーン上で観測された遠視野像を示す写真であり、図１８（ａ）～（ｃ）は赤色光を入射した場合を示し、図１８（ｄ）～（ｆ）は緑色光を入射した場合を示している。また、テストターゲットの移動量は、図１８（ａ）、（ｄ）では＋１０ｍｍであり、図１８（ｂ）、（ｅ）では０ｍｍであり、図１８（ｃ）、（ｆ）では－１０ｍｍである。図中に示した破線の矢印は、テストターゲットでの矩形パターンの一辺の位置を示している。図１８（ａ）～（ｆ）に示したように、テストターゲットを横方向に移動するに伴い、スクリーン上に投影された遠視野像も移動することが確認できる。
　図１９（ａ）、（ｂ）は、遠視野像における光強度分布を示すグラフであり、図１９（ａ）は赤色の場合を示し、図１９（ｂ）は緑色の場合を示している。グラフ中で最も濃い線が＋１０ｍｍ移動を示し、最も薄い線が０ｍｍ移動を示し、中程度の濃さの線が－１０ｍｍ移動を示している。横軸はスクリーン上での横方向の位置を示しており、５ｍｍ近傍におけるグラフの落ち込みは矩形状のパターンによって光が遮られた非照射領域に対応している。図１９（ａ）、（ｂ）に示したように、テストパターンの移動に伴って非照射領域が移動していることが確認できる。
　図２０は、投影距離による投影画像の変形について説明する図であり、図２０（ａ）は光学素子１０に入射光Ｌｉｎが集光して照射された場合の回折角度の分布について説明する模式図であり、図２０（ｂ）は遠視野像の変化を示す模式図である。
　図２０（ａ）に示すように、レンズによって集光された入射光Ｌｉｎは、回折格子部１１に到達する際の入射角度が照射領域によって異なる。したがって、回折格子部１１のスランテッドグレーティングによる回折光の進行方向は、回折格子部１１の面内位置によって異なり、導光板部１２内を全反射（ＴＩＲ）で伝搬する経路も異なる。これにより＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は、図２０（ｂ）に示したように、投影距離が１００ｍｍのとき、一軸方向に拡大されたものとなる。投影距離が長くなることによってイメージは更に一軸方向に拡大されている。したがって、投影距離に応じて予め画像の形状を一軸方向に圧縮したものを用いることや、光の出射側に一軸方向の拡大を補正するレンズを配置することで、投影距離による拡大変形を抑制して縦横比が同じ画像を投影することができる。
　上述したように、本実施形態の光学素子１０では、入射光Ｌｉｎの画像形状が反映された投影画像を遠視野像として投影可能である。また、画像の移動に伴って遠視野像の投影位置を変化させることもできる。また、投影距離に応じて投影画像が一軸方向に拡大されるため、距離に応じて画像を一軸方向に圧縮することで、投影画像の縦横比を一定に保つことができる。
　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。
　本出願は、２０２０年６月９日出願の日本特許出願（特願２０２０-１００４４２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明によれば、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置が提供される。
１００…画像投影装置
１０…光学素子
２０…ライトガイド部
３０…プリズム部
４０…投影板部
１１…回折格子部
１２…導光板部
１３…延伸部
１３ａ…第１延伸部
１３ｂ…第２延伸部
１４…光出射部
１４ａ…第１光出射部
１４ｂ…第２光出射部
１５…板状部
１６…凸部
２１…光入射部
２２…導波部
２３…光出射部
２４…間隙
２５…屈折率調整層

Claims (8)

  1. 　複数の凸部および凹部が周期的に形成された回折格子部と、
    　前記回折格子部と異なる屈折率の材料からなり、前記回折格子部を覆って形成される導光板部とを備え、
    　前記導光板部は、一方に延伸された第１延伸部を有し、前記第１延伸部の端部近傍には平坦な第１光出射部が形成されており、
    　前記回折格子部による回折光のうち少なくともプラスの一次回折光が、前記第１延伸部内を全反射して導波され、前記第１光出射部まで到達することを特徴とする光学素子。
  2. 　請求項１に記載の光学素子であって、
    　前記導光板部は、前記第１延伸部と反対側に延伸された第２延伸部を有し、前記第２延伸部の端部近傍には平坦な第２光出射部が形成されており、
    　前記回折格子部による回折光のうちマイナスの二次回折光が、前記第２延伸部内を全反射して導波され、前記第２光出射部まで到達することを特徴とする光学素子。
  3. 　請求項１または２に記載の光学素子であって、
    　前記凸部は、主面に対して傾斜してスランテッドグレーティングを構成し、
    　前記第１延伸部は、前記凸部の傾斜方向と反対側に延伸されていることを特徴とする光学素子。
  4. 　請求項１から３の何れか一つに記載の光学素子であって、
    　前記第１光出射部は、前記第１延伸部の端面、表面または裏面の何れか一箇所に設けられていることを特徴とする光学素子。
  5. 　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、
    　前記回折格子部による回折光のうち、０次回折光およびマイナスの一次回折光は、前記導光板部の主面を透過して出射することを特徴とする光学素子。
  6. 　請求項１から５の何れか一つに記載の光学素子と、
    　前記導光板部と光学的に結合されて、内部で光を導波するライトガイド部とを備え、
    　前記ライトガイド部は、前記第１光出射部と対向する光入射部と、導波された光を出射する光出射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
  7. 　請求項６に記載の画像投影装置であって、
    　前記光出射部には、回折格子が形成されていることを特徴とする画像投影装置。
  8. 　請求項６または７に記載の画像投影装置であって、
    　前記回折格子部に対して光を照射する光源部を備え、
    　前記光源部は、前記凸部の傾斜方向に対して傾斜した方向から前記回折格子部に光を照射することを特徴とする画像投影装置。
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