WO2022234782A1 - 導光素子、及びこれを用いた表示装置 - Google Patents

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WO2022234782A1
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元志 中山
光生 大澤
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Ａｇｃ株式会社
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    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/64—Constructional details of receivers, e.g. cabinets or dust covers

Definitions

  • the present invention relates to a light guide element and a display device using the same.
  • Augmented Reality (AR)/Mixed Reality (MR) headsets for personal or professional use are being developed. Since ARMR headsets are required to have high resolution and a wide viewing angle, heavy members are often used for the display members of the ARMR image. is not good. On the other hand, a small and lightweight glasses-type display for displaying simple information such as characters and symbols has also been developed.
  • An optical element for ARMR image display of a personal display or an augmented reality display in which a projected image from a projector is obtained by utilizing diffraction guide light in which an input coupling grating, an exit pupil enlarging grating, and an output coupling grating are formed on a light guide plate.
  • a configuration for displaying in front of the eyes is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • Lead-free and arsenic-free optical glass having a refractive index nd of 1.91 ⁇ nd ⁇ 2.05 for the d-line is known as an optical glass used for the light guide plate (see, for example, Patent Document 3).
  • An object of the present invention is to provide a light guide element with a wide viewing angle and a display device using the same.
  • the light guide element has a single-layer light guide substrate and a diffraction layer formed on the light guide substrate,
  • the diffraction layer includes a first diffraction grating that in-couples incident light incident on the light guide substrate into the light guide substrate, and out-couples the totally reflected light propagated through the light guide substrate to the outside of the light guide substrate. and a second diffraction grating,
  • the first diffraction grating has a wavelength of at least one of a first wavelength included in the 450 nm ⁇ 20 nm band, a second wavelength included in the 530 nm ⁇ 20 nm band, and a third wavelength included in the 630 nm ⁇ 20 nm band.
  • the second diffraction grating outcouples the totally reflected light over an angular range of 60° or more including the normal direction at the at least one wavelength.
  • a light guide element with a wide viewing angle and a display device using the light guide element are realized.
  • FIG. 4 illustrates coupling of incident light to a light guide substrate by an incoupling grating
  • FIG. 11 shows total internal reflection guiding light from an incoupling grating to an outcoupling grating
  • FIG. 4 is a diagram showing light exiting from the outcoupling grating to the outside of the light guide substrate
  • FIG. 4 is a diagram showing examples of compositions having a refractive index greater than 2.05 at the d-line; It is a figure which shows an example of the display apparatus using the light guide element of embodiment. It is a figure which shows the example of an operation
  • FIG. 4 illustrates coupling of incident light to a light guide substrate by an incoupling grating
  • FIG. 11 shows total internal reflection guiding light from an incoupling grating to an outcoupling grating
  • FIG. 4 is a diagram showing light exiting from the outcoupling grating to the outside of the light guide substrate
  • FIG. 4 is a diagram showing
  • FIG. 3 is a diagram of a configuration example of a light guide element using a line-and-space one-dimensional diffraction grating
  • FIG. 4 is a diagram of a configuration example of a light guide element using a two-dimensional diffraction grating in which a rectangular grating is a unit grating for an outcoupling grating.
  • FIG. 4 is a diagram of a configuration example of a light guide element using a two-dimensional diffraction grating in which a rectangular grating is a unit grating for both the incoupling grating and the outcoupling grating.
  • FIG. 4 is a diagram of a configuration example of a light guide element using a two-dimensional diffraction grating in which a rectangular grating is a unit grating for both the incoupling grating and the outcoupling grating.
  • FIG. 4 is a diagram showing grating shapes and optical characteristics of an example and a comparative example; It is a figure which shows an example of the material of a light guide substrate.
  • FIG. 4 is a diagram showing a difference in refractive index between a light guide substrate and a diffraction layer in Examples and Comparative Examples;
  • FIG. 4 is a diagram showing properties of materials used for the diffraction layer; It is a figure explaining NA (Numerical Aperture) diagram and FOV (Field of View: Field of View) design. It is a figure explaining NA diagram and design of FOV. It is a figure explaining NA diagram and design of FOV. It is a figure explaining a diffraction waveguide direction of ⁇ 1st order, and visibility.
  • NA Numerical Aperture
  • FOV Field of View: Field of View
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the FOV expansion effect by using ⁇ 1st order diffraction; It is a figure explaining the effect of making an incoupling grating
  • 4A and 4B are diagrams showing characteristics and diffraction images of RGB guided light in Example 1.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams showing the characteristics of the G light guide and the diffraction image of Example 1.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the characteristics and diffraction images of RGB guided light in Example 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of the G light guide and the diffraction image of Example 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the characteristics and diffraction images of RGB guided light in Example 3;
  • FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of G light guide and diffraction images in Example 3;
  • FIG. 10 is a diagram showing the characteristics and diffraction images of RGB guided light in Example 4;
  • FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of G light guide and diffraction images in Example 4;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of the light guide element 10 of the embodiment.
  • the light guide element 10 has a single-layer light guide substrate 11 and a diffraction layer 12 formed on the light guide substrate 11 .
  • the diffraction layer 12 includes an in-coupling grating 121 that couples the incident light incident on the light guide substrate 11 into the light guide substrate 11 and an out-coupling grating 121 that outputs the totally reflected light propagated through the light guide substrate 11 to the outside of the light guide substrate 11 . and a coupling grid 123 .
  • the light guide substrate 11 may be formed with an extension grating that guides the light in-coupled to the light guide substrate 11 to the out-coupling grating 123 .
  • the direction of incidence and the direction of emission of light are not limited to the rear surface of the light guide substrate 1 .
  • Light incident from the surface on which the diffraction layer 12 is formed can be coupled into the light guide substrate 11, and light can be out-coupled from the surface on which the diffraction layer 12 is formed.
  • the diffraction layer 12 may be formed only on one surface of the light guide substrate 11, or may be formed on both surfaces.
  • a single-layer light guide substrate 11 is used to transmit light of a first wavelength in the blue wavelength band, light of a second wavelength in the green wavelength band, and third wavelength in the red wavelength band. of light is introduced into the light guide substrate 11 with a high FOV and emitted from the light guide substrate 11 with a high FOV.
  • the blue wavelength band is, for example, 450 nm ⁇ 20 nm.
  • the green wavelength band is, for example, 530 nm ⁇ 20 nm.
  • the red wavelength band is, for example, 630 nm ⁇ 20 nm.
  • the first wavelength ( ⁇ 1), the second wavelength ( ⁇ 2), and the third wavelength ( ⁇ 3) 60° or more including the normal direction of the light guide substrate 11, preferably Incident light is incoupled in an angular range of 65° or more, more preferably 70° or more.
  • the light is transmitted to the light guide substrate 11 in an angle range of 60° or more, preferably 65° or more, and more preferably 70° or more including the normal line direction of the light guide substrate 11. 11 out-couples.
  • the angle between the center of the angle range of the light to be incoupled or the light to be aptcoupled and the normal to the substrate is preferably ⁇ 15° or less, more preferably ⁇ 10° or less, and ⁇ 5° or less. more preferably, and most preferably substantially coincident with the normal of the substrate.
  • the incoupling grating 121 also incouples the incident light in a common angle range of 55° or more including the normal direction of the light guide substrate 11 for light of any wavelength of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3. .
  • the out-coupling grating 123 out-couples light of any of the wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 over a common angular range of 55° or more including the normal direction of the light guide substrate 11 .
  • the angle between the center of the angular range of the light to be incoupled or the light to be aptcoupled and the normal to the substrate is preferably ⁇ 15° or less, more preferably ⁇ 10° or less, and ⁇ 5° or less. is more preferable, and most preferably substantially coincides with the normal of the substrate.
  • the angular range of incoupling light or outcoupling light comprises at least an angular range of -42.5° to -12.5° or -12.5° to -42.5°; More preferably, it includes an angular range of 37.5° to -17.5° or -17.5° to -37.5° and at least -32.5° to -22.5° or -22.5° to -22.5°. It more preferably includes an angular range of 5° to -32.5°, and most preferably includes an angular range of -27.5° to 27.5°.
  • it preferably includes an angular range of at least ⁇ 15°, more preferably includes an angular range of ⁇ 20°, even more preferably includes an angular range of ⁇ 25°, and more preferably includes an angular range of ⁇ 27. Most preferably it includes an angular range of 5°.
  • a single-layer light guide substrate 11 guides RGB light to realize a small and lightweight light guide element 10 . If a single-layer light guide substrate 11 is used, the overlapping FOV of each wavelength of RGB becomes the entire FOV.
  • a high FOV is achieved by devising the design of the grating 123 .
  • both the light guide substrate 11 and the diffraction layer 12 are made of an inorganic material and designed to have a predetermined refractive index. In addition, ⁇ 1st order diffraction is used. The grounds for these configurations and the analysis results will be described later.
  • FIG. 2A is a diagram explaining the coupling of the incident light Lin to the light guide substrate 11 by the incoupling grating 121.
  • FIG. The plane on which the diffraction layer 12 is formed on the light guide substrate 11 is the xy plane, and the thickness direction of the light guide substrate 11 is the z direction.
  • the AA' cross-sectional configuration is shown together with the xy plane configuration. For convenience of illustration, the wavelengths are not distinguished, but the light of each wavelength of RGB is incident on the light guide element 10 .
  • the incident light Lin is coupled to the light guide substrate 11 by the incoupling grating 121 as a diffracted wavefront in a predetermined direction, eg, the x direction.
  • the direction in which the incident light Lin is coupled to the light guide substrate 11 is not limited to the +x direction. As will be described later, a configuration in which the incident light is propagated in the ⁇ x directions may be employed, or a configuration in which the incident light is propagated in the two-dimensional directions of the x and y directions may be employed.
  • the incoupling grating 121 couples both the light incident from the diffraction layer 12 side and the light incident from the rear surface of the light guide substrate 11 to the light guide substrate 11 . Normal incident light from the direction normal to the light guide substrate 11 is also coupled into the light guide substrate 11 . Further, an FOV of 55° or more is realized for all wavelengths of RGB.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining total internal reflection guiding from the incoupling grating 121 to the outcoupling grating 123.
  • FIG. The BB' cross-sectional configuration is shown along with the xy plane configuration.
  • the propagation direction of the light in-coupled into the light guide substrate 11 is changed by the expansion grating 122 .
  • the extended grid 122 has a line-and-space pattern that runs obliquely with respect to the x-axis or the y-axis. Expansion grating 122 diffracts some light in the -y direction while guiding most of the light in the X direction.
  • FIG. 2C is a diagram for explaining the emission of light from the out-coupling grating 123 to the outside.
  • the configuration of the CC' cross section is shown together with the configuration of the xy plane.
  • the out-coupling grating 123 diffracts and emits part of the light while guiding most of the light by total reflection.
  • the out-coupling grating 123 outputs a plurality of diffracted lights to the outside of the light guide substrate 11 while being replicated along the light guide direction. Since the light can be emitted from both the diffraction layer 12 side and the back surface of the light guide substrate 11, the image formed by the emitted light can be viewed from either side.
  • the out-coupling grating 123 emits the light that is totally reflected and guided inside the light guide substrate 11 within a predetermined angle range including the normal direction of the light guide substrate 11 .
  • out-coupling is realized in an FOV of 60° or more including the normal direction at any one of RGB wavelengths.
  • out-coupling is realized in an FOV of 55° or more including the normal direction at all wavelengths of RGB.
  • the light guide substrate 11 propagates the in-coupled light to the out-coupling position with total internal reflection.
  • the refractive index nd of the light guide substrate 11 for the d-line (wavelength 587.56 nm) is greater than 2.05 (nd>2.05).
  • a glass composition having a refractive index nd greater than 2.05 at the d-line includes the composition shown in FIG. 2D. If the refractive index nd is greater than 2.08, it becomes easier to design a higher FOV.
  • the internal transmittance is high at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 in order to outcouple the incident light with minimal loss. Since the transmittance loss due to absorption of short-wavelength light is greater, the internal transmittance per 10 mm thickness of the light guide substrate 11 for light with a wavelength of 450 nm is set to 90% or more, more preferably 95% or more. good.
  • the compositions in Table 1 are listed as glass compositions that allow the light guide substrate 11 to have an internal transmittance of 95% or more for light with a wavelength of 450 nm.
  • Light guide substrate 11 is, for example, a glass substrate.
  • the glass material (1) Bi 2 O 3 --TeO 2 system glass or (2) La 2 O 3 --B 2 O 3 system glass may be used.
  • composition we mean units of percent (mole%, weight%, etc.), excluding impurities that are unavoidably mixed in, intentionally added ppm (Parts per Million) unit impurities, additives, etc. ) refers to the assembly of elements or components that are designed to be 100% total.
  • the content of Bi 2 O 3 is 20% to 50%, and the content of TeO 2 is 100% in terms of mol % based on oxides. is 10% to 35%.
  • Bi 2 O 3 is a component that is preferably contained in order to obtain a high refractive index glass with high visible light transmittance. More preferred.
  • the upper limit is preferably 45% or less, more preferably 40% or less, and more preferably 35% or less.
  • TeO 2 is a glass-forming component, and may be contained in the glass since it can provide a glass with a high visible light transmission and a high refractive index.
  • the content of TeO 2 is preferably 10% or more, more preferably more than 20%, more preferably 25% or more. However, if the TeO 2 content is excessive, the glass becomes unstable, so the content is preferably 35% or less, more preferably 30% or less.
  • B 2 O 3 is a glass-forming component and is preferably contained in order to stabilize the glass.
  • a lower limit 10% or more is preferable, and 12% or more is more preferable.
  • the upper limit is preferably 40% or less, more preferably 35% or less, more preferably 30% or less, and more preferably 25% or less.
  • P2O5 is an optional component.
  • P 2 O 5 is a glass-forming component and is preferably contained in order to stabilize the glass.
  • the lower limit is preferably 0% or more, and the upper limit is preferably 20% or less, more preferably 15% or less.
  • the lower limit of the sum of the contents of B 2 O 3 and P 2 O 5 is preferably 10% or more, more preferably 20% or more.
  • the upper limit is preferably 45% or less, more preferably 40% or less, and even more preferably 35% or less.
  • Nb 2 O 5 , TiO 2 , Ta 2 O 5 and WO 3 are components that are preferably contained in order to increase the refractive index of the glass. Including Bi 2 O 3 and TeO 2 , these are components that can also be used as the diffraction layer 12 described below. By increasing the ratio of these components, a structure having a refractive index dispersion relationship close to that of the diffraction layer 12 can be achieved.
  • the ratio of Bi 2 O 3 —TeO 2 —Nb 2 O 5 —TiO 2 —Ta 2 O 5 —WO 3 is preferably high, preferably 55% or more, more preferably more than 60%.
  • the La 2 O 3 -B 2 O 3 -based glass has a La 2 O 3 content of 10% to 40% and a B 2 O A glass containing 10% to 35% of 3 can be exemplified.
  • La 2 O 3 is excellent in the function of increasing the refractive index and reducing the dispersion while maintaining the stability of the glass, is a component with high visible light transmittance, and can obtain a high refractive index glass with high visible light transmittance. . Therefore, although La 2 O 3 may be contained in the glass, if the content is too high, the devitrification resistance is lowered.
  • the lower limit is preferably 10% or more, more preferably 20% or more.
  • the upper limit is preferably 40% or less, more preferably 30% or less, and even more preferably 25% or less.
  • B 2 O 3 is a glass-forming component and is preferably contained in order to stabilize the glass.
  • a lower limit 10% or more is preferable, and 12% or more is more preferable.
  • the upper limit is preferably 40% or less, more preferably 35% or less, more preferably 30% or less, and more preferably 25% or less.
  • SiO2 is an optional component.
  • SiO 2 is a glass-forming component and may be contained in order to stabilize the glass, but if the content is too high, it becomes difficult to increase the refractive index.
  • a lower limit 0% or more is preferable, 5% or more is more preferable, and 10% or more is more preferable.
  • the upper limit is preferably 30% or less, more preferably 20% or less, and more preferably 15% or less.
  • TiO 2 may be contained in the glass because it has an excellent function of increasing the refractive index while maintaining the stability of the glass.
  • a lower limit 10% or more is preferable, 20% or more is more preferable, and 25% or more is more preferable.
  • the upper limit is preferably 40% or less, more preferably 35% or less.
  • ZrO2 is an optional component. ZrO 2 may be contained in the glass because it has an excellent effect of increasing the refractive index while maintaining the stability of the glass. As a lower limit, 0% or more is preferable, and 5% or more is more preferable. The upper limit is preferably 15% or less, more preferably 10% or less.
  • Gd 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 and WO 3 are components that are preferably contained in order to increase the refractive index of the glass. Including La 2 O 3 and TiO 2 , these are components that can also be used as the diffraction layer 12 described below. By increasing the ratio of these components, a structure having a refractive index dispersion relationship close to that of the diffraction layer 12 can be achieved.
  • the ratio of La 2 O 3 —TiO 2 —Gd 2 O 3 —Nb 2 O 5 —Ta 2 O 5 —WO 3 should be high, preferably 55% or more, more preferably more than 60%.
  • ZrO 2 may be included, and the ratio of La 2 O 3 —TiO 2 —Gd 2 O 3 —Nb 2 O 5 —Ta 2 O 5 —WO 3 —ZrO 2 is preferably 55% or more, and 60%. % or more is more preferable.
  • the light guide substrate 11 may be a single crystal substrate.
  • a single crystal refers to a crystal in which the orientation of atoms or molecules is the same in any part of the crystal.
  • the light guide substrate 11 may be an isotropic single crystal substrate whose optical properties do not depend on the direction, or may be a uniaxial single crystal substrate whose crystal axis is oriented in a predetermined direction. In the case of a uniaxial substrate, it is desirable that the optical axis of the light guide substrate 11 is within ⁇ 4°, preferably within ⁇ 0.4°, with respect to the normal.
  • dislocation defects may occur in the crystal.
  • a dislocation defect having a diameter exceeding 1 ⁇ m called a micropipe
  • a micropipe often has a refractive index modulation near the defect. Even if the size of the defect does not affect the appearance of the light guide element, if such a defect occurs within the range where the light is guided, the image displayed from the light guide element will be affected by the modulation of the refractive index. It is preferable that such defects are not present in the light guide element, as this leads to a reduction in the resolution of the image.
  • the defect density of micropipes is preferably 10/cm 2 , preferably 1/cm 2 , and more preferably 0.1/cm 2 .
  • Substrates such as TiO 2 , SrTiO 3 , KTaO 3 , LiNbO 3 , SiN, SiC, and diamond can be used as the single crystal light guide substrate 11 .
  • FIG. 3 shows an example of a display device 100 using the light guide element 10 of the embodiment.
  • the display device 100 is ARMR goggles in this example.
  • the light guide element 10 is used as eyepieces for right and left eyes.
  • the display device 100 has a light guide element 10 and a projector 110 .
  • a projector 110 is provided for each of the light guide element 10 for the right eye and the light guide element 10 for the left eye, and the light guide element 10 and the projector 110 are held by a wearable support 120 .
  • the light guide element 10 is formed of a single-layer light guide substrate 11, and the display device 100 as a whole is small and lightweight.
  • FIG. 4 shows an operation example of the light guide element 10 used in the display device 100.
  • FIG. An image projected from the projector 110 is diffracted into the light guide substrate 11 by the incoupling grating 121 .
  • the incoupling grating 121 diffracts the RGB light into the light guide substrate 11 with a FOV of 55° or more including the vertically incident light.
  • the incoupled RGB light propagates while being totally reflected inside the light guide substrate 11, is diffracted by the out-coupling grating 123, and is emitted from the light guide substrate 11 with an FOV of 55° or more.
  • This optical image enters the human eye 20 and is recognized as a color image.
  • the thickness of the light guide substrate 11 is, for example, 1 mm or less.
  • the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123 are, for example, made of a thin film of an inorganic material with a thickness of 100 to 1000 nm, and have a diffraction grating pattern formed with a predetermined pitch. If the extended grating 122 is used in conjunction with the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123, the extended grating 122 is also formed of the same thin film.
  • the pitch of the diffraction grating is, for example, 300-500 nm.
  • a diffraction grating may be formed directly on the surface of the light guide substrate 11 .
  • the surface region where the diffraction grating is formed becomes the diffraction layer 12 .
  • the incoupling grating 121 realizes an FOV of 60° or more, preferably 65° or more, and more preferably 70° or more for any wavelength among RGB.
  • the incoupling grating 121 achieves an FOV of 55° or more for any of the RGB wavelengths.
  • the out-coupling grating 123 achieves an FOV of 60° or more, preferably 65° or more, more preferably 70° or more for any wavelength among RGB.
  • the out-coupling grating 123 achieves an FOV of 55° or more for any of the RGB wavelengths.
  • the display device 100 using the light guide element 10 may be configured to display a color image in a range up to FOV 55°, and to present simple information or display a single color in a region exceeding FOV 55°. For example, at the edge of the field of view, simple information such as letters, symbols, etc., icons, toolbars, etc. may be displayed.
  • a cover that covers at least one of the diffraction layer 12 and the back surface of the light guide substrate 11 may be provided. In that case, the cover may be part of the light guide element 10 and held by the support 120 of FIG. When a cover is used, it is desirable to use a cover that is highly transparent to visible light and that does not affect the light image emitted from the out-coupling grating 123 .
  • the material of the cover may be glass or plastic.
  • FIG. 5 shows a configuration example in which both the in-coupling grating 121a and the out-coupling grating 123a have line-and-space patterns that are one-dimensional diffraction gratings.
  • FIG. 5A shows an example in which the incoupling is uniaxial diffraction, and in this example, diffraction in the +x direction is used. As explained with reference to FIGS.
  • the RGB light diffracted in the +x direction by the incoupling grating 121a is redirected in the ⁇ y direction by the expansion grating 122 and is oriented more than 55° from the outcoupling grating 123. It is emitted in the FOV. Focusing on one wavelength of the RGB light, the light is emitted with an FOV of 60° or more, preferably 65° or more, more preferably 70° or more.
  • the incoupling utilizes uniaxial diffraction in the plus and minus directions, in this example, diffraction in the ⁇ x directions.
  • the incoupling grating 121a splits the incident light into two diffracted wavefronts and diffracts them in the +x direction and the ⁇ x direction.
  • Each of the diffracted lights in the +x direction and the -x direction is redirected by the expansion grating 122 and out-coupled by the out-coupling grating 123 .
  • the FOV of the emitted light is 55° or more for all wavelengths of RGB. Focusing on any one wavelength, the output FOV is 60° or more, preferably 65° or more, more preferably 70° or more.
  • FIG. 6 shows an example in which a line & space pattern, which is a one-dimensional diffraction grating, is used for the incoupling grating 121a, a two-dimensional diffraction grating is used for the outcoupling grating 123b, and a rectangular unit grating is used.
  • FIGS. 6A and 6B are the same as FIGS. 5A and 5B, except that the unit cell of outcoupling grating 123b is a rectangular grating.
  • vignetting can be suppressed as described later.
  • “Vignetting” means that part of the field of view to be displayed in the input image is missing due to local light or brightness reduction. It refers to a phenomenon that occurs when light cannot be guided through total reflection.
  • FIG. 6 shows a design without the extended grating 122 .
  • the line & space pattern of the incoupling grating 121a extends along the x-direction.
  • This incoupling grating 121a diffracts incident light in the ⁇ y directions, and in this example utilizes diffraction in the -y direction.
  • the light in-coupled into the light guide substrate 11 propagates in the -y direction while being totally reflected inside the light guide substrate 11, and is emitted to the outside of the light guide substrate 11 by the out-coupling grating 123b.
  • the out-coupling grating 123b is formed of a two-dimensional diffraction grating having a rectangular grating as a unit grating to two-dimensionally diffract the propagating light.
  • FIG. 7 shows an example in which rectangular lattices are used as unit lattices for both the incoupling lattice 121b and the outcoupling lattice 123b.
  • 7A, 7B, and 7C are identical to those of FIGS. 6A, 6B, and 6C, except that the unit cell of the incoupling grating 121b is a rectangular grating. is the same as
  • the FOV for RGB waveguides can be expanded.
  • FIG. 7 shows a design in which the incoupling grating 121b and the outcoupling grating 123b partially overlap.
  • a portion of the rectangular grid pattern of outcoupling grid 123b also functions as incoupling grid 121b.
  • the in-coupling grid 121b is an area in which each of the RGB colors from the projector 110 (see FIG. 3) can be in-coupled with an FOV of 55° or more.
  • the light guide element 10 may adopt any grating design of FIGS. Regardless of which pattern is used, it is desirable that the refractive index of the diffraction layer 12 is the same as or higher than the refractive index of the light guide substrate 11 . As will be described later, the difference between the refractive index of the diffraction layer 12 and the refractive index of the light guide substrate 11 is preferably 0.1 or less for each wavelength of RGB.
  • the diffraction layer 12 including the in - coupling grating 121 and the out - coupling grating 123 is made of, for example, ZrO2, HfO2 , Ta2O5 , Nb2O5 , TeO2 , MoO3 , WO3 , TiO2 , SiN, SiON, SnO, ITO, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , AlN, MgO, or a mixture of two or more of these.
  • the diffraction layer 12 may be made of a glass material containing three or more inorganic elements.
  • the diffraction layer 12 can be formed on the surface of the light guide substrate 11 by vapor deposition, sputtering, or the like.
  • a desired pattern such as a line & space pattern or a rectangular lattice pattern is formed in the diffraction layer 12 by etching to form an incoupling grating 121, an extended grating 122, and an outcoupling grating 123.
  • FIG. 1 A desired pattern such as a line & space pattern or a rectangular lattice pattern is formed in the diffraction layer 12 by etching to form an incoupling grating 121, an extended grating 122, and an outcoupling grating 123.
  • the diffraction layer 12 When the diffraction layer 12 is formed of a mixture of two or more materials, co-sputtering may be used to form a film having refractive index dispersion, that is, the wavelength dependence of the refractive index, matching that of the light guide substrate 11. .
  • the diffraction layer 12 may be formed by etching or may be formed by lift-off.
  • a diffraction grating may be engraved directly on a glass substrate, a single crystal substrate, or the like.
  • the light guide substrate 11 and the diffraction layer 12 can be formed integrally with a high refractive index material.
  • the light guide substrate 11 When applying the light guide element 10 to the display device 100 of FIG. 3, the light guide substrate 11 is processed to have a size, thickness and shape suitable for the eyepiece. Since the single-layer light guide substrate 11 can guide RGB light with a high FOV, it is thin and lightweight when used as an eyepiece.
  • FIG. 8 shows grating shapes and optical characteristics of the example and the comparative example.
  • the lattice shape includes the type of lattice pattern and the lattice pitches in the x and y directions.
  • optical properties specific wavelengths of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3, the refractive index of the light guide substrate 11 at ⁇ 3, the aspect ratio of the input image in the x direction and the y direction, and the diagonal FOV are shown.
  • the relationship between the tangent of the diagonal FOV, the tangent of the horizontal FOV, and the tangent of the vertical FOV is represented by the diagonal of the aspect ratio of the projected image and the relationship between the x direction and the y direction.
  • ⁇ 1 is 450 nm
  • ⁇ 2 is 532 nm
  • ⁇ 3 is 633 nm.
  • the aspect ratio of the input image is 16:9.
  • the diffraction layer 12 is formed of an inorganic film having a higher refractive index than the light guide substrate 11 at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3, or a grating is formed directly on the light guide substrate 11 . In these cases, it is not necessary to consider the refractive index of the diffractive layer 12 in the discussion of the viewing angle, because whether or not the light can be guided through total reflection depends on the refractive index of the light guide substrate 11 .
  • the incoupling grating 121 uses a line & space (denoted as "L&S" in FIG. 8) pattern
  • the outcoupling grating 123 uses a two-dimensional diffraction grating with a rectangular unit grating.
  • the grating pitch in the x direction of the incoupling grating 121 is 310 nm.
  • the outcoupling grating 123 has a pitch of 310 nm in the x direction and a pitch of 355 nm in the y direction.
  • a Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -TeO 2 -P 2 O 5 -Nb 2 O 5 -ZnO glass substrate is used as the light guide substrate 11.
  • a specific composition (mol%) is as follows.
  • B2O3 26.5 TeO2 : 18.5
  • P2O5 10.5 Nb2O5 : 1.6 ZnO : 5.3
  • the refractive index at ⁇ 3 of the light guide substrate 11 of Example 1 is 2.08. Since the shorter the wavelength, the higher the refractive index that a wave feels, the refractive index at the d-line (wavelength 587.56 nm) is greater than 2.08.
  • the diagonal FOV at ⁇ 2 of Example 1 is greater than 70°, and the guided maximum FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all greater than 55°.
  • two-dimensional diffraction gratings with rectangular unit gratings are used for both the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123, and diffraction in the ⁇ first-order directions is used.
  • Each of the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123 has a grating pitch of 310 nm in the x direction and a pitch of 355 nm in the y direction.
  • a Bi 2 O 3 --B 2 O 3 --TeO 2 --P 2 O 5 --Nb 2 O 5 --ZnO glass substrate having the same composition as in Example 1 is used.
  • the refractive index of the light guide substrate 11 at ⁇ 3 is 2.08.
  • the diagonal FOV at ⁇ 2 of Example 2 is greater than 70°, and the guided maximum FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all greater than 55°.
  • Example 3 line & space patterns are used for both the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123 .
  • the pitch of the incoupling gratings 121 in the x-direction is 270 nm, and the pitch of the out-coupling gratings 123 in the y-direction is 300 nm.
  • a SiC single crystal substrate is used as the light guide substrate 11 .
  • the refractive index at ⁇ 3 of this SiC substrate is 2.63.
  • the diagonal FOV at ⁇ 2 of Example 3 is greater than 100°, and the guided maximum FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all greater than 65°.
  • Example 4 two-dimensional diffraction gratings with rectangular unit gratings are used for both the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123 .
  • the pitch in the x direction of the incoupling grating 121 is 270 nm, and the pitch in the y direction is 310 nm.
  • the outcoupling grating 123 has a pitch of 300 nm in the x direction and a pitch of 310 nm in the y direction.
  • a SiC single crystal substrate is used as in the third embodiment.
  • the refractive index at ⁇ 3 of the SiC substrate is 2.63.
  • the diagonal FOV at ⁇ 2 of Example 4 is greater than 110°, and the guided maximum FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all greater than 85°.
  • a high FOV can be realized by using the light guide substrate 11 with a high refractive index and using two-dimensional diffraction gratings with rectangular unit gratings for the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123 .
  • Comparative Example 1 the same light guide substrate 11 (refractive index at ⁇ 3: 2.08) as in Examples 1 and 2 is used. A two-dimensional diffraction grating is used. The grating pitches in the x and y directions are 310 nm for each of the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123 . In this case as well, diffraction in the ⁇ first order directions is used. In Comparative Example 1, the diagonal FOV at ⁇ 2 is less than 70° and the maximum guided FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all less than 55°.
  • the two-dimensional diffraction grating with the square lattice as the unit lattice is used for the input image with the aspect ratio of 16:9. , compared to Examples 1-3, the diagonal FOV is smaller.
  • the refractive index at ⁇ 3 of the optical glass substrate of Comparative Example 2 is 1.99, and the refractive index nd for the d-line is in the range of 1.91 ⁇ nd ⁇ 2.05.
  • Both the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123 use two-dimensional diffraction gratings with rectangular unit gratings, and utilize diffraction in the ⁇ 1st order directions.
  • the incoupling grating 121 has a pitch of 310 nm in the x direction and a pitch of 360 nm in the y direction.
  • the outcoupling grating 123 has a pitch of 310 nm in the x direction and a pitch of 370 nm in the y direction.
  • the diagonal FOV at ⁇ 2 exceeds 70°, but the maximum guided FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all less than 55°.
  • Rectangular gratings are used for the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123, and diffraction in the ⁇ first-order directions is used. High FOV cannot be achieved.
  • Comparative Example 3 In Comparative Example 3, the same optical glass substrate as in Comparative Example 2 is used. The refractive index at ⁇ 3 of the optical glass substrate is 1.99, and the refractive index nd for the d-line is 1.91 to 2.05 (1.91 ⁇ nd ⁇ 2.05). In Comparative Example 3, line and space patterns are used for both the incoupling grating 121 and the outcoupling grating 123 . The pitch of the incoupling gratings 121 in the x-direction is 360 nm, and the pitch of the out-coupling gratings 123 in the y-direction is 360 nm.
  • the diagonal FOV at ⁇ 2 is less than 60° and the maximum guided FOV at ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all less than 35°.
  • the refractive index nd of the light guide substrate for the d-line is greater than 2.05.
  • FIG. 9 shows an example of a crystal material used for the light guide substrate 11.
  • a single crystal substrate is used for the light guide substrate 11
  • TiO2 , SrTiO3 , KTaO3 , LiNbO3 , SiC, diamond, etc. can be used.
  • the presence or absence of optical anisotropy, the ordinary refractive index no at the d-line, the extraordinary refractive index ne at the d-line, the specific gravity (g/cm 3 ), the Mohs hardness, and the absorption edge wavelength are shown.
  • SrTiO 3 , KTaO 3 and diamond are optically isotropic.
  • TiO 2 , LiNbO 3 , and SiC are uniaxial and show birefringence, but the direction of the optical axis with respect to the normal is within ⁇ 4°, and double images due to birefringence occur when viewing a transmitted real image. The loss of resolution due to does not significantly affect the FOV. All crystals have an absorption edge in the ultraviolet region and transmit visible light.
  • FIG. 10 shows the refractive index difference between the light guide substrate and the diffraction layer of the example and the comparative example.
  • the refractive index of the light guide substrate 11, the refractive index of the diffraction layer 12, and the refractive index difference between the light guide substrate 11 and the diffraction layer 12 are shown at wavelengths of 450 nm ( ⁇ 1), 532 nm ( ⁇ 2), and 633 nm ( ⁇ 3).
  • the refractive index at each wavelength is calculated from the refractive index nd at the d-line and the Abbe number ⁇ d at the d-line, assuming normal dispersion.
  • Ta 2 O 5 is used for the diffraction layer 12 .
  • the light guide substrate 11 is the Bi 2 O 3 --B 2 O 3 --TeO 2 --P 2 O 5 --Nb 2 O 5 --ZnO glass substrate used in the first and second embodiments.
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is higher than that of the light guide substrate 11 at each wavelength.
  • the refractive index difference is 0.08 at a wavelength of 450 nm, 0.04 at a wavelength of 532 nm, and 0.02 at a wavelength of 633 nm, all of which are 0.1 or less.
  • Example 6 ZrO 2 is used for the diffraction layer 12 .
  • the light guide substrate 11 is the Bi 2 O 3 --B 2 O 3 --TeO 2 --P 2 O 5 --Nb 2 O 5 --ZnO glass substrate used in the first and second embodiments.
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is higher than that of the light guide substrate 11 at each wavelength.
  • the refractive index difference is 0.05 at a wavelength of 450 nm, 0.06 at a wavelength of 532 nm, and 0.08 at a wavelength of 633 nm, all of which are 0.1 or less.
  • the light guide substrate 11 is a Bi 2 O 3 --TiO 2 --Nb 2 O 5 --WO 3 --B 2 O 3 --P 2 O 5 --SiO 2 --BaO substrate.
  • a specific composition (mol %) of the light guide substrate 11 is as follows.
  • the refractive index difference is 0.05 at a wavelength of 450 nm, 0.02 at a wavelength of 532 nm, and 0.01 at a wavelength of 633 nm, all of which are 0.1 or less.
  • Example 8 ZrO 2 is used for the diffraction layer 12 .
  • the light guide substrate 11 is the Bi 2 O 3 --TiO 2 --Nb 2 O 5 --WO 3 --B 2 O 3 --P 2 O 5 --SiO 2 --BaO substrate used in Example 7, and has the same composition. be.
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is higher than that of the light guide substrate 11 at each wavelength.
  • the refractive index difference is 0.02 at a wavelength of 450 nm, 0.04 at a wavelength of 532 nm, and 0.06 at a wavelength of 633 nm, all of which are 0.1 or less.
  • Example 9 TiO 5 is used for the diffraction layer 12 and a single crystal substrate of LiNbO 3 is used for the light guide substrate 11 .
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is higher than that of the light guide substrate 11 at each wavelength.
  • the refractive index difference is 0.07 at a wavelength of 450 nm, 0.03 at a wavelength of 532 nm, and 0.01 at a wavelength of 633 nm, all of which are 0.1 or less.
  • Nb 2 O 5 is used for the diffraction layer 12 .
  • the light guide substrate 11 is the same LiNbO 3 single crystal substrate as in the ninth embodiment.
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is higher than that of the light guide substrate 11 at each wavelength.
  • the refractive index difference is 0.07 at a wavelength of 450 nm, 0.05 at a wavelength of 532 nm, and 0.03 at a wavelength of 633 nm, all of which are 0.1 or less.
  • Comparative Example 4 In Comparative Example 4, Ta 2 O 5 is used for the diffraction layer 12 .
  • the light guide substrate 11 is the lead-free and arsenic-free optical glass substrate of Patent Document 3 used in Comparative Examples 2 and 3.
  • FIG. In this combination, the diffraction layer 12 has a high refractive index, but the light guide substrate 11 has a refractive index of 2.05 or less at each wavelength, resulting in a large refractive index difference.
  • the refractive index difference is 0.18 at a wavelength of 450 nm, 0.14 at a wavelength of 532 nm, and 0.11 at a wavelength of 633 nm, all exceeding 0.1.
  • Comparative Example 5 ZrO 2 is used for the diffraction layer 12 .
  • the light guide substrate 11 is the lead-free and arsenic-free optical glass substrate of Patent Document 3.
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is high, but the refractive index of the light guide substrate 11 for each wavelength is 2.05 or less, resulting in a large refractive index difference.
  • the refractive index difference is 0.15 at a wavelength of 450 nm, 0.16 at a wavelength of 532 nm, and 0.16 at a wavelength of 633 nm, all exceeding 0.1.
  • the difference between the refractive index of the diffraction layer 12 and the refractive index of the light guide substrate 11 be 0.1 or less ( ⁇ n ⁇ 0.1) at each wavelength of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3.
  • ⁇ n is preferably smaller than 0.1 because the influence of interfacial reflection increases at the wavelength of ⁇ 3, which is guided by total reflection in the light guide substrate 11 at a large angle of reflection.
  • ⁇ n is more preferably less than 0.05, and even more preferably less than 0.03. If ⁇ n ⁇ 1, ⁇ n ⁇ 2, and ⁇ n ⁇ 3 are the refractive index differences of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3, respectively, the influence of interface reflection can be easily reduced at all wavelengths when ⁇ n ⁇ 1 ⁇ n ⁇ 2 ⁇ n ⁇ 3. In addition, even when the refractive index of the diffraction layer 12 is lower than the refractive index of the light guide substrate 11 at ⁇ 1 and ⁇ 2, it is often possible to completely reflect and guide the desired FOV. A combination of materials may be selected such that the light guide substrate 11 and the diffraction layer 12 have the same refractive index at a wavelength shorter than ⁇ 3 and with a low dispersion.
  • FIG. 11 shows the properties of the material used for the diffractive layer 12.
  • the refractive index of the diffraction layer 12 is made greater than or equal to the refractive index of the light guide substrate 11 in order to outcouple light to the outside of the light guide substrate 11 .
  • materials for the diffraction layer 12 include ZrO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TeO 2 , MoO 3 , TiO 2 and WO 3 .
  • high refractive index materials such as HfO 2 , SiN, SiON, SnO, ITO, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , AlN, and MgO can also be used depending on the material of the light guide substrate 11. .
  • the refractive index at each wavelength is calculated from the refractive index nd at the d-line and the Abbe number ⁇ d at the d-line, as in FIG. Chromatic aberration is reduced as the Abbe number increases.
  • any material has a refractive index nd greater than 2.10.
  • the material of the diffraction layer 12 can be selected according to the refractive index of the light guide substrate 11 .
  • FIG. 12A is an NA diagram in which the horizontal axis is the numerical aperture NAx in the x direction and the vertical axis is the numerical aperture NAy in the y direction.
  • a donut-shaped region between the inner circle and the outer circle is a region where light can propagate in the light guide substrate 11 by total reflection.
  • the inner circle represents the NA at the critical angle and the outer circle represents the NA at the maximum propagation angle.
  • FIG. 12 shows the state of propagation within the light guide substrate 11 .
  • the numerical aperture NA is represented by n ⁇ sin ⁇ .
  • ⁇ prop be the angle of incidence of the light propagating through total reflection on the interface.
  • ⁇ c be the critical angle at which total reflection begins to occur at the interface.
  • the radius of the outer circle is determined by the refractive index n of the light guide substrate 11 . Therefore, the more the light guide substrate 11 with a higher refractive index is used, the wider the outer circle and the wider the angular range in which total reflection can be guided.
  • the black circle in the center of the NA diagram is the numerical aperture NA (or incident angle) of light incident on the incoupling grating 121 .
  • the white circle at the end point of the arrow extending rightward from the black circle represents the NA of the light emitted from the out-coupling grating 123 .
  • Arrows between black and white circles indicate diffraction-varying NA.
  • the right side of the normal line drawn from the diffraction layer 12 is positive NA, and the left side is negative NA.
  • the angular region between positive NA and negative NA is the FOV.
  • the FOV is 55° or more with respect to any of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3.
  • ⁇ be the pitch of the diffraction grating
  • ⁇ be the wavelength
  • m be the diffraction order.
  • nin ⁇ sin ⁇ in + m ⁇ / ⁇ nout ⁇ sin ⁇ out It becomes a relationship.
  • FIG. 14 shows a design that aligns the incident FOV and the exit FOV.
  • the rectangle in the center of the NA diagram of FIG. 14A is the NA area corresponding to the incident FOV.
  • the horizontal sides of the rectangle correspond to the FOV in the x direction (FOVx), and the vertical sides correspond to the FOV in the y direction (FOVy).
  • FOVx FOV in the x direction
  • FOVy FOV in the y direction
  • the image of the rectangular field of view has a barrel shape inscribed in the rectangle on the NA diagram.
  • the diagonal FOV corresponds to the FOV at the diagonal corners of this rectangle.
  • the light incident on this FOV is guided while being diffracted several times so as to fill the doughnut-shaped total reflection propagation region T, and is returned to its original position.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the ⁇ 1st-order diffraction waveguide directions and visibility.
  • FIG. 14 when the incident FOV and the exit FOV are aligned, in FIG. do.
  • the totally reflected propagated light is emitted by the outcoupling grating 23 at the same angle as the incident angle, the light is emitted in the direction of the user's eye 20 .
  • light with an incident angle corresponding to the FOV on the minus (negative) side is incoupled in the direction opposite to the traveling direction. Due to the out-coupling grating, light emitted at the same angle as the incident angle is directed towards the user's eye 20 for better image visibility.
  • FIG. 16 explains the effect of expanding the FOV by using diffraction in the ⁇ 1st order directions.
  • This example takes diffraction in the +x and -x directions.
  • the FOV on the positive side is indicated by a thick line and the FOV on the negative side is indicated by a thin line.
  • the solid line is the FOV of the R light
  • the dashed line is the FOV of the G light
  • the dotted line is the FOV of the B light.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the effect of using a two-dimensional diffraction grating with a rectangular grating as a unit grating for the incoupling grating.
  • FIG. 17A if the line-and-space one-dimensional pattern incoupling grating 121a is used, the light of the plus side FOV diffracted to the left side of the figure is guided to the left side of the outcoupling grating 123b. The light of the negative FOV diffracted to the right side of the figure is guided to the right side of the coupling grating 123b.
  • the out-coupling grating 123b is a two-dimensional diffraction grating having a rectangular unit grating
  • the light heading for the center of the outcoupling grating 123b may not be incoupling at the incoupling grating 121a, which may result in insufficient light guidance at the central portion of the outcoupling grating 123b.
  • FIG. 17B by using a two-dimensional diffraction grating incoupling grating 121b such as a rectangular grating as a unit grating, light is diffracted and guided from the incoupling grating 121b toward the outcoupling grating 123b.
  • the entire FOV including the side FOV and the minus side FOV is guided through the central portion of the light guide substrate.
  • the light amount of the light image emitted from the out-coupling grating 123b is made uniform, and the visibility is improved.
  • FIG. 18A is a diagram explaining the effect of using a two-dimensional diffraction grating with a rectangular unit grating.
  • the grating pitch in the x direction is 310 nm and the grating pitch in the y direction is 355 nm.
  • the right side is the plus side FOV and the left side is the minus side FOV.
  • the positive FOV is on the left side of the NA diagram, where all of the RGB propagate within the total internal reflection propagation region T.
  • the negative FOV is on the right side of the NA diagram, where all of the RGB propagate within the total internal reflection propagation region T.
  • FIG. 18B and 18C show FOV light guidance when using a two-dimensional diffraction grating with a square lattice as the unit lattice.
  • the grating pitch in the x and y directions is 310 nm
  • the grating pitch in the x and y directions is 355 nm.
  • the R light is not fully reflected and guided above and below the NA diagram in the y direction, and vignetting (V) occurs.
  • FIG. 18C in the x direction of the NA diagram, the B light is not fully reflected and guided in both the plus side FOV and the minus side FOV, and vignetting (V) occurs.
  • vignetting can be suppressed and the quality of a color image can be maintained.
  • the out-coupling grating is a two-dimensional diffraction grating with a rectangular grating as a unit grating, where n_ ⁇ 3 is the refractive index at ⁇ 3 of the light guide substrate 11, and the x-direction and y-direction are respectively.
  • the pitches ⁇ x and ⁇ y of are rectangular gratings that satisfy the following equations, it is possible to design an optical element with a FOV of 55° or more in RGB and good visibility.
  • Example 1> 19A shows the RGB guided light characteristics and diffraction images of Example 1
  • FIG. 19B shows the G light guided characteristics and diffraction images of Example 1.
  • FIG. The type and pitch of the diffraction grating in Example 1 and the refractive index of the light guide substrate 11 at each wavelength are as shown in FIG.
  • the diagonal FOV of the incident light is 55°
  • the field of view is 0.5
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 24.4° and the half angle in the y direction is 14.3°.
  • the NA diagram of FIG. 19A shows a diffraction image when RGB light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled as “first grating” in the drawing) and the outcoupling grating 123 (labeled as “second grating” in the drawing). Notation) is a diffraction image when RGB light is vertically incident.
  • the first grating is a one-dimensional diffraction grating with a line and space pattern
  • the second grating is a two-dimensional diffraction grating with a rectangular unit grating.
  • the grating pitches of the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123 are set to pitches that realize the diffraction shown in this NA diagram. With this grating design, it is possible to reproduce RGB images with a diagonal FOV of 55° and no vignetting using a single-layer light guide substrate 11 .
  • the diagonal FOV of incident light is 70°
  • the field of view is 0.7
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 31.4° and the half angle in the y direction is 18.9°.
  • the NA diagram of FIG. 19B shows a diffraction image when G light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled as “first grating” in the drawing) and an outcoupling grating 123 (labeled as “second grating” in the drawing). ) is a diffraction image when G light is vertically incident on the substrate.
  • the diffraction image of the line-and-space first grating all the plus side FOV is diffracted into the left total reflection propagation area (thick dashed line square), and all the minus side FOV is diffracted into the right side total reflection propagation area. (Thin dash-dotted rectangle).
  • the G light is diffracted into the total reflection propagation region in the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • the single-layer light guide substrate 11 can be used to expand the FOV with G light.
  • R light or B light is perpendicularly incident on the second grating with a diagonal FOV of 70°, it is not always possible to achieve total internal reflection in both the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • Example 2> 20A shows the characteristics and diffraction images of the RGB guided light in Example 2
  • FIG. 20B shows the characteristics and diffraction images of the G guided light in Example 2.
  • FIG. The type and pitch of the diffraction grating in Example 2 and the refractive index of the light guide substrate 11 at each wavelength are as shown in FIG.
  • the diagonal FOV of incident light is 55°
  • the field of view is 0.5
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 24.4° and the half angle in the y direction is 14.3°.
  • the NA diagram of FIG. 20A shows a diffraction image when RGB light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled “first grating” in the drawing) and the outcoupling grating 123 (labeled “second grating” in the drawing). Notation) is a diffraction image when RGB light is vertically incident. Both the first grating and the second grating are two-dimensional diffraction gratings having rectangular unit gratings.
  • the diagonal FOV of incident light is 70°
  • the field of view is 0.7
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 31.4° and the half angle in the y direction is 18.9°.
  • the NA diagram of FIG. 20B shows a diffraction image when G light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled as “first grating” in the drawing) and an outcoupling grating 123 (labeled as “second grating” in the drawing). ) is a diffraction image when G light is vertically incident on the substrate.
  • the unit grating is a diffraction image of the first grating having a rectangular grating, and G is diffracted into the total reflection propagation region in each of the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • the G light is diffracted into the total reflection propagation area in the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • a single-layer light guide substrate 11 can be used to expand the FOV for G light.
  • R light or B light is perpendicularly incident on the second grating with a diagonal FOV of 70°, it is not always possible to achieve total internal reflection in both the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • FIG. 21A shows the characteristics and diffraction images of the RGB guided light in Example 3
  • FIG. 21B shows the characteristics and diffraction images of the G guided light in Example 3.
  • FIG. The type and pitch of the diffraction grating in Example 1 and the refractive index of the light guide substrate 11 at each wavelength are as shown in FIG.
  • the diagonal FOV of the incident light is 65°
  • the field of view is 0.6
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 29.0° and the half angle in the y direction is 17.3°.
  • the NA diagram of FIG. 21A shows a diffraction image when RGB light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled “first grating” in the drawing) and the outcoupling grating 123 (labeled “second grating” in the drawing). Notation) is a diffraction image when RGB light is vertically incident.
  • Both the first grating and the second grating are one-dimensional diffraction gratings with line and space patterns, but the directions in which the grating patterns extend are orthogonal to each other between the first grating and the second grating.
  • the incident FOV is diffracted into the total reflection propagation area in the +x and -x directions for all of RGB.
  • the incident FOV in all of RGB diffracts in the +y and -y directions into the total internal reflection propagation region.
  • the grating pitches of the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123 are set to pitches that realize the diffraction of this NA diagram.
  • the diagonal FOV of the incident light is 100°
  • the field of view is 1.2
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 46.1° and the half angle in the y direction is 30.3°.
  • the NA diagram of FIG. 21B shows a diffraction image when the G light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled “first grating” in the drawing) and the outcoupling grating 123 (labeled “second grating” in the drawing). ) is a diffraction image when G light is vertically incident on the substrate.
  • first grating labeled “first grating” in the drawing
  • second grating is a diffraction image when G light is vertically incident on the substrate.
  • the diffraction image of the second grating both the plus FOV and the minus FOV diffract in the ⁇ y directions into the total internal reflection propagation region.
  • a single-layer light guide substrate 11 can be used to extend the diagonal FOV up to 100° for G light. However, even if the R light or the B light is perpendicularly incident on the second grating with a diagonal FOV of 100°, it is not always possible to achieve total internal reflection in both the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • FIG. 22A shows the RGB guided light characteristics and the diffraction image of Example 4
  • FIG. 22B shows the G light guided characteristics and the diffraction image of Example 4.
  • FIG. The type and pitch of the diffraction grating in Example 4 and the refractive index of the light guide substrate 11 at each wavelength are as shown in FIG.
  • the diagonal FOV of the incident light is 85°
  • the field of view is 0.9
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 38.6° and the half angle in the y direction is 24.2°.
  • the NA diagram of FIG. 22A shows a diffraction image when RGB light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled as "first grating” in the drawing) and the outcoupling grating 123 (labeled as "second grating” in the drawing). Notation) is a diffraction image when RGB light is vertically incident.
  • Both the first grating and the second grating are two-dimensional diffraction gratings having rectangular unit gratings.
  • all RGB FOVs diffract into the all-reflective propagation region In the y-axis direction, all RGB FOVs diffract into the all-reflective propagation region.
  • the grating pitches of the in-coupling grating 121 and the out-coupling grating 123 are set to pitches that realize the diffraction of this NA diagram. With this lattice design, it is possible to reproduce RGB images without vignetting at a diagonal FOV of 85° using a single-layer light guide substrate 11 .
  • the diagonal FOV of incident light is 110°
  • the field of view is 1.4
  • the aspect ratio of the incident image is 16:9.
  • the half angle in the x direction is 51.2° and the half angle in the y direction is 35.0°.
  • the NA diagram of FIG. 21B shows a diffraction image when the G light is vertically incident on the incoupling grating 121 (labeled “first grating” in the drawing) and the outcoupling grating 123 (labeled “second grating” in the drawing). ) is a diffraction image when G light is vertically incident on the substrate.
  • G is diffracted into the total reflection propagation region in each of the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • the G light is diffracted into the total reflection propagation region in the ⁇ x and ⁇ y directions.
  • a single-layer light guide substrate 11 can be used to extend the diagonal FOV to 110° at least for G light.
  • R light or B light is perpendicularly incident on the first grating or the second grating with a diagonal FOV of 110°, total internal reflection is realized in both the ⁇ x direction and the ⁇ y direction. is not limited.
  • the display device 100 using the light guide element 10 may be linked with a smart phone, a notebook personal computer (PC), or the like.
  • a display screen of a smartphone or a notebook PC may be set to a working field of view with a diagonal FOV of 55°, and an indirect field of view with a diagonal FOV of 70° or more may be set around the working field of view.
  • a simple monochromatic image or information may be displayed in the indirect field of view as long as it does not interfere with daily activities.

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Abstract

本発明は、軽量かつ広視野角の導光素子と、これを用いた表示装置を提供することを目的とする。　本発明の導光素子（１０）は、単層の導光基板（１１）と、前記導光基板（１１）に形成された回折層（１２）と、を有し、前記回折層（１２）は、前記導光基板（１１）に入射した入射光を前記導光基板（１１）内にインカプリングする第１回折格子（１２１）と、前記導光基板（１１）を伝搬した全反射光を前記導光基板（１１）の外へアウトカプリングする第２回折格子（１２３）と、を有し、前記第１回折格子（１２１）は、４５０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第１波長（λ１）と、５３０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第２波長（λ２）と、６３０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第３波長（λ３）の少なくとも一つの波長において、前記導光基板（１１）の法線方向を含む６０°以上の角度範囲で前記入射光をインカプリングし、前記第２回折格子（１２３）は、前記少なくとも一つの波長において、前記法線方向を含む６０°以上の角度範囲で前記全反射光をアウトカプリングする。

Description

導光素子、及びこれを用いた表示装置
　本発明は、導光素子、及びこれを用いた表示装置に関する。
　個人用、または専門用途の拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）／複合現実（ＭＲ：Mixed Reality）ヘッドセットが開発されている。ＡＲＭＲヘッドセットは、高分解能、広視野角であることが求められるため、ＡＲＭＲ像の表示部材に重厚な部材を使用する場合が多く、ヘッドセット全体でも重く、頭部に固定されるため装着感が良くない。一方、文字、記号などの簡単な情報を表示する小型で軽量のメガネ型のディスプレイも開発されている。
　パーソナルディスプレイ、または拡張現実ディスプレイのＡＲＭＲ像表示用の光学素子で、導光板に入力結合格子、出射瞳拡大格子、及び出力結合格子が形成された回折導光を利用してプロジェクタからの投影像を眼前に表示する構成が知られている（たとえば、特許文献１、及び特許文献２参照）。導光板に用いる光学ガラスとして、ｄ線に対する屈折率ｎｄが１．９１≦ｎｄ≦２．０５の鉛フリー、ヒ素フリーの光学ガラスが知られている（たとえば、特許文献３参照）。
特表２０２０－５２１９９４号公報 特表２０１７－５２８７３９号公報 特許第４９７０８９６号公報
　ＡＲＭＲヘッドセットと同等の機能と広い視野角を持つ、軽量の表示装置が実現されるならは、適用分野とユーザ範囲がさらに広がる。本発明は、軽量かつ広視野角の導光素子と、これを用いた表示装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様では、導光素子は、単層の導光基板と、前記導光基板に形成された回折層と、を有し、
　前記回折層は、前記導光基板に入射した入射光を前記導光基板内にインカプリングする第１回折格子と、前記導光基板を伝搬した全反射光を前記導光基板の外へアウトカプリングする第２回折格子と、を有し、
　前記第１回折格子は、４５０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第１波長と、５３０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第２波長と、６３０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第３波長の少なくとも一つの波長において、前記導光基板の法線方向を含む６０°以上の角度範囲で前記入射光をインカプリングし、
　前記第２回折格子は、前記少なくとも一つの波長において、前記法線方向を含む６０°以上の角度範囲で前記全反射光をアウトカプリングする。
　軽量かつ広視野角の導光素子と、これを用いた表示装置が実現される。
実施形態の導光素子の構成例を示す模式図である。 インカプリング格子による入射光の導光基板への結合を示す図である。 インカプリング格子からアウトカプリング格子への全反射導光を示す図である。 アウトカプリング格子から導光基板外への光の出射を示す図である。 ｄ線における屈折率が２．０５よりも大きい組成の例を示す図である。 実施形態の導光素子を用いた表示装置の一例を示す図である。 表示装置で用いられる導光素子の動作例を示す図である。 ライン＆スペース型の１次元回折格子を用いる導光素子の構成例の図である。 アウトカプリング格子に長方格子が単位格子となる２次元回折格子を用いる導光素子の構成例の図である。 インカプリング格子とアウトカプリング格子の両方に長方格子が単位格子となる二次元回折格子を用いる導光素子の構成例の図である。 実施例と比較例の格子形状と光学特性を示す図である。 導光基板の材料の一例を示す図である。 実施例と比較例の導光基板と回折層の屈折率差を示す図である。 回折層に用いられる材料の特性を示す図である。 ＮＡ（開口数：Numerical Aperture）ダイアグラムとＦＯＶ（視野：Field of View）の設計を説明する図である。 ＮＡダイアグラムとＦＯＶの設計を説明する図である。 ＮＡダイアグラムとＦＯＶの設計を説明する図である。 ±１次の回折導波方向と視認性を説明する図である。 ±１次回折の利用によるＦＯＶ拡張効果を説明する図である。 インカプリング格子を２次元格子とすることの効果を説明する図である。 単位格子に長方格子を用いることの効果を説明する図である。 単位格子に正方格子を用いたときのＦＯＶ導光を示す図である。 単位格子に正方格子を用いたときのＦＯＶ導光を示す図である。 実施例１のＲＧＢ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例１のＧ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例２のＲＧＢ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例２のＧ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例３のＲＧＢ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例３のＧ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例４のＲＧＢ導光の特性と回折像を示す図である。 実施例４のＧ導光の特性と回折像を示す図である。
　図１は、実施形態の導光素子１０の構成例を示す模式図である。導光素子１０は、単層の導光基板１１と、導光基板１１に形成された回折層１２とを有する。回折層１２は、導光基板１１に入射した入射光を導光基板１１内に結合するインカプリング格子１２１と、導光基板１１を伝搬した全反射光を導光基板１１の外へ出射するアウトカプリング格子１２３とを有する。後述するように、導光基板１１にインカプリングされた光をアウトカプリング格子１２３に導く拡張格子が、導光基板１１に形成されていてもよい。光の入射方向と出射方向は、導光基板１の裏面に限定されない。回折層１２が形成されている面から入射する光を導光基板１１に結合することもできるし、回折層１２が形成されている面から光をアウトカプリングすることもできる。回折層１２は導光基板１１の一方の面のみに形成されていてもよいし、両方の面に形成されていてもよい。
　実施形態では、単層の導光基板１１を用いて、青色波長帯に含まれる第１波長の光と、緑色波長帯に含まれる第２波長の光と、赤色波長帯に含まれる第３波長の光を、高ＦＯＶで導光基板１１に取り込み、高ＦＯＶで導光基板１１から出射する。青色波長帯は、たとえば、４５０ｎｍ±２０ｎｍである。緑色波長帯は、たとえば、５３０ｎｍ±２０ｎｍである。赤色波長帯は、たとえば、６３０ｎｍ±２０ｎｍである。
　具体的には、第１波長（λ１）と、第２波長（λ２）と、第３波長（λ３）のいずれかの波長において、導光基板１１の法線方向を含む６０°以上、好ましくは６５°以上、より好ましくは７０°以上の角度範囲で、入射光をインカプリングする。また、λ１、λ２、λ３のいずれかの波長において、導光基板１１の法線方向を含む６０°以上、好ましくは６５°以上、より好ましくは７０°以上の角度範囲で、光を導光基板１１の外へアウトカプリングする。インカプリングする光もしくはアプトカプリングする光の角度範囲の中心と基板の法線のなす角は±１５°以下であることが好ましく、±１０°以下であることがより好ましく、±５°以下であることがさらに好ましく、基板の法線とほぼ一致することが最も好ましい。
　インカプリング格子１２１はまた、λ１、λ２、及びλ３のいずれの波長の光に対しても、導光基板１１の法線方向を含む５５°以上の共通の角度範囲で、入射光をインカプリングする。アウトカプリング格子１２３は、λ１、λ２、及びλ３のいずれの波長の光に対しても、導光基板１１の法線方向を含む５５°以上の共通の角度範囲で光をアウトカプリングする。インカプリングする光、もしくはアプトカプリングする光の角度範囲の中心と基板の法線のなす角は、±１５°以下であることが好ましく、±１０°以下であることがより好ましく、±５°以下であることがさらに好ましく、基板の法線とほぼ一致することが最も好ましい。
　換言すると以下のようになる。インカプリングする光もしくはアウトカプリングする光の角度範囲が、少なくとも－４２．５°から－１２．５°もしくは－１２．５°から－４２．５°の角度範囲を含んでいることが好ましく、－３７．５°から－１７．５°もしくは－１７．５°から－３７．５°の角度範囲を含んでいることがより好ましく、少なくとも－３２．５°から－２２．５°もしくは－２２．５°から－３２．５°の角度範囲を含んでいればさらに好ましく、－２７．５°から２７．５°の角度範囲を含むことが最も好ましい。すなわち、少なくとも±１５°の角度範囲を含んでいることが好ましく、±２０°の角度範囲を含んでいることがより好ましく、±２５°の角度範囲を含んでいることがさらに好ましく、±２７．５°の角度範囲を含んでいることが最も好ましくなる。
　従来構成では、各波長に対応する単色導光板が３枚重ねで用いられている。各波長でＦＯＶを最適化できるので高ＦＯＶを実現しやすいが、光学素子全体が厚く、重くなる。実施形態では、単層の導光基板１１でＲＧＢ導光させて、小型かつ軽量の導光素子１０を実現する。単層の導光基板１１を用いると、ＲＧＢの各波長のＦＯＶのオーバーラップするＦＯＶが全体のＦＯＶとなるが、導光基板１１と回折層１２の材料、及び、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の設計を工夫することで、高ＦＯＶを実現する。たとえば、導光基板１１と回折層１２の両方を無機材料で形成して、それぞれが所定の屈折率をもつように設計する。また、±１次の回折を利用する。これらの構成の根拠と分析結果は後述する。
　図２Ａは、インカプリング格子１２１による導光基板１１への入射光Ｌinの結合を説明する図である。導光基板１１上で回折層１２が形成される面をｘ－ｙ面、導光基板１１の厚さ方向をｚ方向とする。ｘ－ｙ面の構成と併せて、Ａ－Ａ'断面構成を示す。図示の便宜上、波長の区別はしていないが、ＲＧＢの各波長の光が導光素子１０に入射する。
　入射光Ｌinは、インカプリング格子１２１により、所定の方向、たとえばｘ方向への回折波面として導光基板１１に結合される。入射光Ｌinを導光基板１１に結合する方向は、＋ｘ方向に限定されない。後述するように、入射光を±ｘ方向に伝搬させる構成を採用してもよいし、ｘ方向とｙ方向の２次元方向へ伝搬させる構成を採用してもよい。インカプリング格子１２１は、回折層１２の側から入射する光も、導光基板１１の裏面から入射する光も、導光基板１１に結合する。導光基板１１に対する法線方向からの垂直入射光も、導光基板１１内に結合される。また、ＲＧＢの全波長について、５５°以上のＦＯＶが実現される。
　図２Ｂは、インカプリング格子１２１からアウトカプリング格子１２３への全反射導光を説明する図である。ｘ－ｙ面の構成とともに、Ｂ－Ｂ'断面構成を示す。導光基板１１にインカプリングされた光は、拡張格子１２２によって伝搬方向が変換される。拡張格子１２２は、ｘ軸またはｙ軸に対して斜めに延びるライン＆スペースパターンを有する。拡張格子１２２は、大部分の光をＸ方向に導光しながら、一部の光を－ｙ方向に回折する。拡張格子１２２のライン＆スペースパターンにより、ｘ方向に沿って何本もの回折光が複製され、それぞれの回折光が－ｙ方向に伝搬する。ｘ方向への伝搬光も、－ｙ方向への回折光も、導光基板１１内を全反射しながら伝搬する。
　図２Ｃは、アウトカプリング格子１２３から外部への光の出射を説明する図である。ｘ－ｙ面の構成と併せて、Ｃ－Ｃ'断面構成を示す。アウトカプリング格子１２３は、大部分の光を全反射で導光させながら、一部の光を回折させて出射する。アウトカプリング格子１２３により、導光方向に沿って複数の回折光が複製されながら導光基板１１の外に出射される。光は、回折層１２の側からも、導光基板１１の裏面からも出射可能なので、出射光で形成される像は、どちらの側からも見ることができる。
　アウトカプリング格子１２３は、導光基板１１の内部を全反射導光する光を、導光基板１１の法線方向を含む所定の角度範囲で出射する。具体的には、ＲＧＢのいずれかの波長において、法線方向を含む６０°以上のＦＯＶでアウトカプリングが実現される。また、ＲＧＢのすべての波長において、法線方向を含む５５°以上のＦＯＶでアウトカプリングが実現される。
　＜導光基板の材料＞
　図２Ａ～図２Ｃで、導光基板１１は、インカプリングされた光を、アウトカプリング位置まで全反射で伝搬させる。導光基板１１の屈折率が高いほど、全反射導光できる角度範囲が大きくなる。導光基板１１のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）における屈折率ｎｄは、２．０５よりも大きい（ｎｄ＞２．０５）。ｄ線における屈折率ｎｄが２．０５よりも大きいガラス組成として、図２Ｄに示す組成が挙げられる。屈折率ｎｄが２．０８よりも大きい場合は、より高ＦＯＶの設計が容易になる。また、入射光を最小限の損失でアウトカプリングするために、λ１、λ２、λ３いずれにおいても内部透過率が高いことが好ましい。短波長の光の方が吸収による透過率ロスが大きいので、波長４５０ｎｍの光における導光基板１１の厚さ１０ｍｍ当たりの内部透過率を９０％以上、より好ましくは９５％以上に設定してもよい。波長４５０ｎｍの光における導光基板１１の内部透過率が９５％以上のガラス組成として、表１の組成が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　導光基板１１は、たとえば、ガラス基板である。ガラス材料として、(１)Ｂｉ２Ｏ３－ＴｅＯ２系ガラスあるいは、（２）Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３系ガラスを用いてもよい。ここで、「組成」というときは、不可避的に混入する不純物や、意図的に添加されるｐｐｍ（Parts per Million）単位の不純物、添加物等を除き、パーセントの単位（モル％、重量％等）でトータル１００％に設計されている要素または成分の組み立てをいう。
　Ｂｉ２Ｏ３－ＴｅＯ２系ガラスとしては、酸化物基準のモル％にて母組成の合計を１００％としたとき、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が２０％～５０％、ＴｅＯ２の含有量が１０％～３５％のガラスが例示できる。
Ｂｉ２Ｏ３は、可視光透過率の高い高屈折率のガラスを得るために含有することが好ましい成分であり、下限値として、２０％以上が好ましく、２５％以上がより好ましく３０％以上がより好ましい。また上限値として、４５％以下であることが好ましく、４０％以下であることがより好ましく、３５％以下であることがより好ましい。
　ＴｅＯ２はガラス形成成分であり、可視光透過の高い高屈折率のガラスを得ることができるためガラスに含有されていてもよい。ＴｅＯ２の含有量は１０％以上であることが好ましく、２０％より多いことがより好ましく、２５％以上であることがより好ましい。ただし、ＴｅＯ２を含有しすぎるとガラスが不安定になるため、３５％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましい。
　Ｂ２Ｏ３はガラス形成成分であり、ガラスを安定化させるために含有することが好ましいが、含有量が増えすぎると高屈折率化が難しくなる。下限値として、１０％以上が好ましく、１２％以上がより好ましい。上限値として、４０％以下が好ましく、３５％以下がより好ましく、３０％以下がより好ましく、２５％以下がより好ましい。
　Ｐ２Ｏ５は任意成分である。Ｐ２Ｏ５はガラス形成成分であり、ガラスを安定化させるために含有することが好ましいが、含有量が増えすぎると高屈折率化が難しくなる。下限値として０％以上が好ましく、上限値として、２０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。
　Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の含有量の和は、下限値として、１０％以上が好ましく、２０％以上であることがより好ましい。上限値は、４５％以下であることが好ましく、４０％以下であることがより好ましく、３５％以下であることがより好ましい。
　Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３はガラスを高屈折率化するために含有することが好ましい成分である。Ｂｉ２Ｏ３とＴｅＯ２を含めて、これらは後述する回折層１２として使用することも可能な成分である。これらの成分の比率を高くすることで、回折層１２と、屈折率の分散関係が近い構成を達成できる。Ｂｉ２Ｏ３－ＴｅＯ２－Ｎｂ２Ｏ５－ＴｉＯ２－Ｔａ２Ｏ５－ＷＯ３の比率は高いほうがよく、５５％以上であることが好ましく、６０％より多いことがより好ましい。
　Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３系ガラスとしては、酸化物基準のモル％にて母組成の合計を１００％としたとき、Ｌａ２Ｏ３の含有量が１０％～４０％、Ｂ２Ｏ３の含有量が１０％～３５％のガラスが例示できる。
　Ｌａ２Ｏ３はガラス安定化を維持しつつ高屈折率化と低分散化する働きに優れ、可視光透過率の高い成分であり、可視光透過の高い高屈折率のガラスを得ることができる。このため、Ｌａ２Ｏ３をガラスに含有していてもよいが、含有量が増えすぎると耐失透性が低下する。下限値として、１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましい。上限値として４０％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましく、２５％以下であることがよりに好ましい。
　Ｂ２Ｏ３はガラス形成成分であり、ガラスを安定化させるために含有することが好ましいが、含有量が増えすぎると高屈折率化が難しくなる。下限値として、１０％以上が好ましく、１２％以上がより好ましい。上限値として、４０％以下が好ましく、３５％以下がより好ましく、３０％以下がより好ましく、２５％以下がより好ましい。
　ＳｉＯ２は任意成分である。ＳｉＯ２はガラス形成成分でありガラスを安定化させるために含有していてもよいが、含有量が増えすぎると高屈折率化が難しくなる。下限値として、０％以上が好ましく、５％以上がより好ましく、１０％以上がより好ましい。上限値として、３０％以下であることが好ましく、２０％以下であることがより好ましく、１５％以下であることがより好ましい。
　ＴｉＯ２はガラス安定化を維持しつつ高屈折率化する働きに優れるためガラスに含有していてもよいが、含有量が増えすぎると耐失透性が低下する。下限値として、１０％以上が好ましく、２０％以上がより好ましく、２５％以上がより好ましい。上限値として、４０％以下であることが好ましく、３５％以下であることがよりに好ましい。
　ＺｒＯ２は任意成分である。ＺｒＯ２はガラス安定化を維持しつつ高屈折率化する働きに優れるためガラスに含有していてもよいが、含有量が増えすぎると耐失透性が低下する。下限値として、０％以上が好ましく、５％以上がより好ましい。上限値として１５％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。
　Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３はガラスを高屈折率化するために含有することが好ましい成分である。Ｌａ２Ｏ３とＴｉＯ２を含めて、これらは後述する回折層１２として使用することも可能な成分である。これらの成分の比率を高くすることで、回折層１２と、屈折率の分散関係の近い構成を達成することができる。Ｌａ２Ｏ３－ＴｉＯ２－Ｇｄ２Ｏ３－Ｎｂ２Ｏ５－Ｔａ２Ｏ５－ＷＯ３の比率は高いほうがよく、５５％以上であることが好ましく、６０％より多いことがより好ましい。さらにＺｒＯ２を含めてもよく、Ｌａ２Ｏ３－ＴｉＯ２－Ｇｄ２Ｏ３－Ｎｂ２Ｏ５－Ｔａ２Ｏ５－ＷＯ３－ＺｒＯ２の比率は５５％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましい。
　上記の組成のガラス材料を用いて、ｄ線（λ２）に対する屈折率が２．０５を超える導光基板１１、あるいは４５０ｎｍにおける厚さ１０ｍｍ当たりの内部透過率が９５％以上の導光基板１１を実現できる。
　導光基板１１は、単結晶基板であってもよい。単結晶は、結晶内のどの部分においても原子または分子の配列の向きが同じであるものをいう。導光基板１１は、その光学的性質が方向に依存しない等方性の単結晶基板であってもよいし、結晶軸が所定の方向を向く一軸性の単結晶基板であってもよい。一軸性の基板の場合、導光基板１１の光学軸が法線に対して±４°以内、好ましくは±０．４°以内であることが望ましい。これは導光基板を通してＡＲＭＲ像ではない実際の景色や文字を見る際の視線の中心が、基板の法線と凡そ一致することと、光の進行方向と光学軸がずれた場合に、複屈折により像が２重となり解像度低下につながるためである。
　また結晶内には転位欠陥と呼ばれる格子欠陥が発生する場合ある。例えばマイクロパイプと呼ばれる直径１μｍを超えるような転位欠陥については欠陥付近で屈折率の変調が発生している場合が多い。導光素子としての外観に問題ない欠陥のサイズであっても光の導光する範囲内にこのような欠陥が発生していた場合には、屈折率の変調により導光素子から表示される像の解像度の低下につながるため、こういった欠陥が導光素子内にないことが好ましい。マイクロパイプの欠陥密度については１０個／ｃｍ２であることが好ましく、１個／ｃｍ２であることが好ましく、０．１個／ｃｍ２であることがより好ましい。
　単結晶の導光基板１１として、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド等の基板を用いることができる。
　図３は、実施形態の導光素子１０を用いた表示装置１００の一例を示す。表示装置１００は、この例ではＡＲＭＲゴーグルである。導光素子１０は、右目用、及び左目用のアイピースとして用いられている。表示装置１００は、導光素子１０と、プロジェクタ１１０とを有する。右目用と左目用の導光素子１０のそれぞれに、プロジェクタ１１０が設けられ、導光素子１０とプロジェクタ１１０は、ウエアラブルな支持体１２０に保持されている。導光素子１０は、単層の導光基板１１で形成されており、表示装置１００は、全体として小型かつ軽量である。
　図４は、表示装置１００で用いられる導光素子１０の動作例を示す。プロジェクタ１１０から投射された映像は、インカプリング格子１２１で導光基板１１内に回折される。上述したように、インカプリング格子１２１により、垂直入射光を含む５５°以上のＦＯＶでＲＧＢ光が導光基板１１の内部に回折される。インカプリングされたＲＧＢ光は、導光基板１１の内部を全反射しながら伝搬し、アウトカプリング格子１２３で回折されて、５５°以上のＦＯＶで導光基板１１から出射される。この光像は、人の目２０に入射してカラー画像として認識される。
　導光基板１１の厚さは、たとえば、１ｍｍ以下である。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３は、一例として、厚さ１００～１０００ｎｍの無機材料の薄膜で形成されており、所定のピッチで形成された回折格子パターンを有する。インカプリング格子１２１、及び、アウトカプリング格子１２３と併せて拡張格子１２２を用いる場合は、拡張格子１２２も同じ薄膜で形成される。回折格子のピッチは、たとえば、３００～５００ｎｍである。無機材料の薄膜で回折層１２を形成するかわりに、導光基板１１の表面に、直接回折格子を形成してもよい。この場合、回折格子が形成されている表面領域が回折層１２となる。
　インカプリング格子１２１は、ＲＧＢの中のいずれかの波長に対して、６０°以上、好ましくは６５°以上、より好ましくは７０°以上のＦＯＶを実現する。インカプリング格子１２１は、ＲＧＢのいずれの波長においても、５５°以上のＦＯＶを実現する。アウトカプリング格子１２３は、ＲＧＢの中のいずれかの波長に対して、６０°以上、好ましくは６５°以上、より好ましくは７０°以上のＦＯＶを実現する。アウトカプリング格子１２３は、ＲＧＢのいずれの波長においても、５５°以上のＦＯＶを実現する。
　導光素子１０を用いた表示装置１００で、ＦＯＶ５５°までの範囲でカラー映像を表示し、ＦＯＶ５５°を超える領域で、簡単な情報提示や単色表示をする構成としてもよい。たとえば、視野の端部に、文字、記号等による簡単な情報や、アイコン、ツールバー等を表示してもよい。回折層１２と、導光基板１１の裏面の少なくとも一方を覆うカバーを設けてもよい。その場合、カバーは導光素子１０の一部となって、図３の支持体１２０に保持されてもよい。カバーを用いる場合は、可視光に対する透過性が高く、アウトカプリング格子１２３から出射される光像に響を与えないものが望ましい。カバーの材質はガラスでもよいし、プラスチックでもよい。
　＜回折格子の構成＞
　図５～図７は、導光素子１０の格子設計例を示す。図５は、インカプリング格子１２１ａとアウトカプリング格子１２３ａがともに、１次元回折格子であるライン＆スペースパターンを有する構成例である。図５の（Ａ）は、インカプリングが１軸方向の回折で、この例では、＋ｘ方向への回折を利用する例である。図２Ａから図２Ｃを参照して説明したように、インカプリング格子１２１ａで＋ｘ方向に回折されたＲＧＢ光は、拡張格子１２２で－ｙ方向に方向変換され、アウトカプリング格子１２３から５５°以上のＦＯＶで出射される。ＲＧＢ光のうちのひとつの波長に着目すると、６０°以上、好ましくは６５°以上、より好ましくは、７０°以上のＦＯＶで光が出射される。
　図５の（Ｂ）の構成は、インカプリングが１軸のプラス及びマイナス方向への回折、この例では、±ｘ方向への回折を利用する。インカプリング格子１２１ａは、入射光を２つの回折波面に分岐させ、＋ｘ方向と－ｘ方向に回折する。＋ｘ方向と－ｘ方向への回折光のそれぞれが、拡張格子１２２で方向変換されて、アウトカプリング格子１２３でアウトカプリングされる。出射光のＦＯＶはＲＧＢのすべて波長で５５°以上、いずれか一つの波長に着目すると、出力ＦＯＶは６０°以上、好ましくは６５°以上、より好ましくは７０°以上である。
　図６は、インカプリング格子１２１ａに１次元回折格子であるライン＆スペースパターンを用い、アウトカプリング格子１２３ｂを２次元回折格子として単位格子を長方格子とする例を示す。図６の（Ａ）と（Ｂ）は、アウトカプリング格子１２３ｂの単位格子が長方格子であることを除いて、図５の（Ａ）と（Ｂ）と同じである。単位格子に長方格子を用いることで、後述するように、ケラレを抑制できる。「ケラレ」とは、局所的な光または明るさの低下により入力した像のうち表示したい視野の一部が欠ける事であり、導光基板内を回折導光させる際に一部の視野角の光が全反射導光できなくなることにより発生する現象のことを指す。
　図６の（Ｃ）は、拡張格子１２２を用いない設計を示す。インカプリング格子１２１ａのライン＆スペースパターンは、ｘ方向に沿って延びている。このインカプリング格子１２１ａは、入射光を±ｙ方向に回折し、この例では－ｙ方向の回折を利用する。導光基板１１にインカプリングされた光は、導光基板１１内を全反射しながら－ｙ方向に伝搬し、アウトカプリング格子１２３ｂにより導光基板１１の外へ出射される。この場合拡張格子１２２がないため、視認性を上げるためにはアウトカプリング格子１２３ｂで２次元方向にアウトカップリング光を複製する必要がある。そのため、アウトカプリング格子１２３ｂを、長方格子を単位格子とする２次元回折格子で形成し、伝搬光を２次元回折させる。
　図７は、インカプリング格子１２１ｂとアウトカプリング格子１２３ｂの両方に、単位格子に長方格子を用いる例を示す。図７の（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、インカプリング格子１２１ｂの単位格子が長方格子であることを除いて、図６の（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）と同じである。インカプリング格子１２１ｂとアウトカプリング格子１２３ｂの双方に長方格子を用いることで、ＲＧＢ導波に対するＦＯＶを拡張することができる。
　図７の（Ｄ）は、インカプリング格子１２１ｂとアウトカプリング格子１２３ｂが部分的に重なる設計を示す。アウトカプリング格子１２３ｂの長方格子パターンの一部が、インカプリング格子１２１ｂとしても機能する。アウトカプリング格子１２３ｂの中で、プロジェクタ１１０（図３参照）からのＲＧＢ各色に対して５５°以上のＦＯＶでインカプリングできる領域が、インカプリング格子１２１ｂとなる。
　導光素子１０は、図５～図７のどの格子設計を採用してもよい。どのパターンを用いる場合も、回折層１２の屈折率は、導光基板１１の屈折率と同じか、または導光基板１１の屈折率よりも高いのが望ましい。後述するように、ＲＧＢの各波長において、回折層１２の屈折率と、導光基板１１の屈折率の差は、０．１以下であることが望ましい。
　インカプリング格子１２１、及び、アウトカプリング格子１２３を含む回折層１２は、たとえば、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｅＯ２、ＭｏＯ３、ＷＯ３、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｎＯ、ＩＴＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、またはこれらのうちの２種以上の混合物で形成されている。あるいは、回折層１２を、３成分以上の無機元素を含むガラス材料で形成してもよい。回折層１２は、蒸着、スパッタリング等で導光基板１１の表面に成膜され得る。エッチングにより、回折層１２にライン＆スペースパターン、長方格子パターンなど、所望のパターンを形成することで、インカプリング格子１２１、拡張格子１２２、及びアウトカプリング格子１２３が形成される。
　２種以上の材料の混合物で回折層１２を形成するときは、コスパッタリングすることで屈折率の分散、すなわち屈折率の波長依存性を導光基板１１と合わせた膜を成膜してもよい。回折層１２はエッチングにより形成してもよいし、リフトオフにより形成してもよい。回折層１２として、ガラス基板、単結晶基板などに直接、回折格子を彫り込んでもよい。この場合、高屈折率材料で導光基板１１と回折層１２を一体的に形成できる。導光素子１０を図３の表示装置１００に適用する場合は、導光基板１１をアイピースに適した大きさ、厚さ、及び形状に加工する。単層の導光基板１１で高ＦＯＶのＲＧＢ導光が可能なので、アイピースとして用いる場合も薄く、軽量である。
　＜導光素子の特性＞
　図８は、実施例と比較例の格子形状と光学特性を示す。格子形状には、格子パターンの種類と、ｘ方向及びｙ方向の格子ピッチが含まれる。光学特性として、λ１、λ２、及びλ３の具体的な波長、λ３における導光基板１１の屈折率、入力像のｘ方向とｙ方向のアスペクト比、及び、対角ＦＯＶを示す。対角ＦＯＶの正接（ｔａｎｇｅｎｔ）と水平ＦＯＶの正接と垂直ＦＯＶの正接の関係は、投影像のアスペクト比の対角とｘ方向とｙ方向の関係で表される。例えば４：３のアスペクト比の像を投影することを考えると、対角ＦＯＶと水平ＦＯＶと垂直ＦＯＶのそれぞれの正接の比は、√（４＾２＋３＾２）により、５：４：３となる。図７の（Ｂ）のように、±１次方向への回折を利用する構成には、「±１次利用」と注釈をつけている。
　実施例と比較例を通して、共通のパラメータとして、λ１は４５０ｎｍ、λ２は５３２ｎｍ、λ３は６３３ｎｍである。入力像のアスペクト比は１６：９である。回折層１２はλ１、λ２、λ３において導光基板１１よりも屈折率が高い無機膜で形成されるか、または直接導光基板１１に格子が形成されている。これらの場合、全反射導光の可否は導光基板１１の屈折率により決まるため、視野角の議論において回折層１２の屈折率を考慮する必要はない。
　実施例１は、インカプリング格子１２１にライン＆スペース（図８では「Ｌ＆Ｓ」と表記）パターンを用い、アウトカプリング格子１２３に単位格子が長方格子となる２次元回折格子を用いる。インカプリング格子１２１のｘ方向の格子ピッチは３１０ｎｍである。アウトカプリング格子１２３のｘ方向のピッチは３１０ｎｍ、ｙ方向のピッチは３５５ｎｍである。導光基板１１として、Ｂｉ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＴｅＯ２－Ｐ２Ｏ５－Ｎｂ２Ｏ５－ＺｎＯガラス基板を用いる。具体的な組成（モル％）は、以下のとおりである。Ｂｉ２Ｏ３：３７．６Ｂ２Ｏ３：２６．５ＴｅＯ２：１８．５Ｐ２Ｏ５ ：１０．５Ｎｂ２Ｏ５ ：１．６ＺｎＯ：５．３
　実施例１の導光基板１１のλ３における屈折率は２．０８である。波長が短いほど波が感じる屈折率は大きくなるので、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）における屈折率は、２．０８よりも大きくなる。実施例１のλ２における対角ＦＯＶは７０°より大きく、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、５５°よりも大きい。
　実施例２では、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の両方に単位格子が長方格子の２次元回折格子を用い、±１次方向の回折を利用する。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の各々で、ｘ方向の格子ピッチは３１０ｎｍ、ｙ方向のピッチは３５５ｎｍである。導光基板１１として、実施例１と同じ組成のＢｉ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＴｅＯ２－Ｐ２Ｏ５－Ｎｂ２Ｏ５－ＺｎＯガラス基板を用いる。この導光基板１１のλ３における屈折率は２．０８である。実施例２のλ２における対角ＦＯＶは７０°より大きく、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、５５°よりも大きい。
　実施例３では、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の両方に、ライン＆スペースパターンを用いる。インカプリング格子１２１のｘ方向のピッチは２７０ｎｍ、アウトカプリング格子１２３のｙ方向のピッチは３００ｎｍである。導光基板１１として、ＳｉＣの単結晶基板を用いる。このＳｉＣ基板のλ３における屈折率は２．６３である。実施例３のλ２における対角ＦＯＶは１００°より大きく、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、６５°よりも大きい。屈折率の大きな導光基板１１を用いることで、ライン＆スペース回折格子を用いつつ、高ＦＯＶを達成できる。
　実施例４では、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の両方に、単位格子が長方格子の２次元回折格子を用いる。インカプリング格子１２１のｘ方向のピッチは２７０ｎｍ、ｙ方向のピッチは３１０ｎｍである。アウトカプリング格子１２３のｘ方向のピッチは３００ｎｍ、ｙ方向のピッチは３１０ｎｍである。導光基板１１として、実施例３と同じく、ＳｉＣの単結晶基板を用いる。ＳｉＣ基板のλ３における屈折率は２．６３である。実施例４のλ２における対角ＦＯＶは１１０°より大きく、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、８５°よりも大きい。実施例４では、高屈折率の導光基板１１を用い、かつインカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３に単位格子を長方格子の２次元回折格子を用いることで高ＦＯＶを実現できる。
　＜比較例１＞
　比較例１では、実施例１及び２と同じ導光基板１１（λ３における屈折率２．０８）を用いているが、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の両方に、単位格子が正方格子の２次元回折格子を用いる。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３のそれぞれで、ｘ方向及びｙ方向の格子ピッチは３１０ｎｍである。この場合も、±１次方向の回折を利用する。比較例１で、λ２における対角ＦＯＶは７０°よりも小さく、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、５５°よりも小さい。実施例１、及び実施例２と同じ高屈折率の導光基板１１を用いながらも、アスペクト比が１６：９の入力像に対して単位格子が正方格子の２次元回折格子を用いたことで、実施例１～３と比較して、対角ＦＯＶが小さくなっている。
　＜比較例２＞
　比較例２では、特許文献３に記載されている鉛フリー、ヒ素フリーの光学ガラスを導光基板として用いる。この光学ガラスの組成（モル％）は、以下のとおりである。ＧｅＯ３ ：３０．９Ｂｉ２Ｏ３：２５．０Ｂ２Ｏ３：１５．９ＺｎＯ ：１０．０ＳｉＯ２：８．０Ｌｉ２Ｏ：５．０ＢａＯ ：５．０Ｓｂ２Ｏ３：０．１
　比較例２の光学ガラス基板のλ３における屈折率は１．９９、ｄ線に対する屈折率ｎｄは、１．９１≦ｎｄ≦２．０５の範囲となる。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の双方に単位格子が長方格子の２次元回折格子を用い、±１次方向の回折を利用している。インカプリング格子１２１のｘ方向のピッチは３１０ｎｍ、ｙ方向のピッチは３６０ｎｍである。アウトカプリング格子１２３のｘ方向のピッチは３１０ｎｍ、ｙ方向のピッチは３７０ｎｍである。比較例２で、λ２における対角ＦＯＶは７０°を超えるが、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、５５°よりも小さい。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３で長方格子を用い、±１次方向の回折を利用しているが、導光基板１１のλ３における屈折率が１．９９のため、ＲＧＢの全色について高いＦＯＶを達成できない。
　＜比較例３＞
　比較例３では、比較例２と同じ光学ガラス基板を用いる。光学ガラス基板のλ３における屈折率は１．９９、ｄ線に対する屈折率ｎｄは、１．９１～２．０５（１．９１≦ｎｄ≦２．０５）である。比較例３では、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の双方にライン＆スペースパターンを用いる。インカプリング格子１２１のｘ方向のピッチは３６０ｎｍ、アウトカプリング格子１２３のｙ方向のピッチは３６０ｎｍである。比較例３で、λ２における対角ＦＯＶは６０°よりも小さく、λ１、λ２、及びλ３のすべてにおける導波最大ＦＯＶは、３５°よりも小さい。ｄ線における屈折率ｎｄが２．０５以下の導光基板１１を用い、かつ、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の両方にライン＆スペースパターンを用いた場合、表示装置１００に求められるＦＯＶ値を実現できない。
　図８の結果から、導光基板のｄ線における屈折率ｎｄは２．０５よりも大きいことが望ましい。屈折率ｎｄが２．０５よりも大きい導光基板１１を用いることで、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３にライン＆スペースパターンを用いる場合でも高ＦＯＶを実現できる。
　図９は、導光基板１１に使用される結晶材料の一例を示す。導光基板１１に単結晶基板を用いる場合、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどを使用できる。これらの材料の結晶構造とともに、光学的異方性の有無、ｄ線における常光屈折率ｎо、ｄ線における異常光屈折率ｎｅ、比重（ｇ／ｃｍ３）、モース硬度、吸収端波長を示す。
　ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、及びダイヤモンドは、光学的に等方性を有する。ＴｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３、ＳｉＣは一軸性であり、複屈折性を示すが、法線に対する光学軸の向きは±４°以内であり、実像の透過像の視認において複屈折由来の２重像発生による解像度の低下はＦＯＶにそれほど影響しない。いずれの結晶も、吸収端が紫外領域にあり、可視光を透過させる。
　図１０は、実施例と比較例の導光基板と回折層の屈折率差を示す。４５０ｎｍ（λ１）、５３２ｎｍ（λ２）、６３３ｎｍ（λ３）の各波長において、導光基板１１の屈折率、回折層１２の屈折率、及び導光基板１１と回折層１２の屈折率差を示す。各波長における屈折率は、正常分散を仮定して、ｄ線における屈折率ｎｄと、ｄ線におけるアッベ数νｄから算出している。
　実施例５では、回折層１２にＴａ２Ｏ５を用いる。導光基板１１は、実施例１、及び実施例２で用いたＢｉ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＴｅＯ２－Ｐ２Ｏ５－Ｎｂ２Ｏ５－ＺｎＯガラス基板である。各波長で、導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率のほうが高い。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．０８、波長５３２ｎｍで０．０４、波長６３３ｎｍで０．０２と、いずれも０．１以下である。
　実施例６では、回折層１２にＺｒＯ２を用いる。導光基板１１は、実施例１、及び実施例２で用いたＢｉ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＴｅＯ２－Ｐ２Ｏ５－Ｎｂ２Ｏ５－ＺｎＯガラス基板である。各波長で、導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率のほうが高い。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．０５、波長５３２ｎｍで０．０６、波長６３３ｎｍで０．０８と、いずれも０．１以下である。
　実施例７では、回折層１２にＴａ２Ｏ５を用いる。導光基板１１は、Ｂｉ2Ｏ３－ＴｉＯ２－Ｎｂ２Ｏ５－ＷＯ３－Ｂ２Ｏ３－Ｐ２Ｏ５－ＳｉＯ２－ＢａＯ基板である。導光基板１１の具体的な組成（モル％）は、以下のとおりである。Ｂｉ２Ｏ３：２１．０ＴｉＯ２：１８．５Ｎｂ２Ｏ５ ：１６．５Ｐ２Ｏ５ ：２２．６ＷＯ３：１４．５Ｂ２Ｏ３：２．８ＢａＯ：２．８ＳｉＯ２：１．６各波長で、導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率のほうが高い。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．０５、波長５３２ｎｍで０．０２、波長６３３ｎｍで０．０１と、いずれも０．１以下である。
　実施例８では、回折層１２にＺｒＯ２を用いる。導光基板１１は、実施例７で用いたＢｉ2Ｏ３－ＴｉＯ２－Ｎｂ２Ｏ５－ＷＯ３－Ｂ２Ｏ３－Ｐ２Ｏ５－ＳｉＯ２－ＢａＯ基板であり、組成も同じである。各波長で、導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率のほうが高い。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．０２、波長５３２ｎｍで０．０４、波長６３３ｎｍで０．０６と、いずれも０．１以下である。
　実施例９では、回折層１２にＴｉＯ５を用い、導光基板１１にＬｉＮｂＯ３の単結晶基板を用いる。各波長で、導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率のほうが高い。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．０７、波長５３２ｎｍで０．０３、波長６３３ｎｍで０．０１と、いずれも０．１以下である。
　実施例１０では、回折層１２にＮｂ２Ｏ５を用いる。導光基板１１は、実施例９と同じＬｉＮｂＯ３の単結晶基板である。各波長で、導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率のほうが高い。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．０７、波長５３２ｎｍで０．０５、波長６３３ｎｍで０．０３と、いずれも０．１以下である。
　＜比較例４＞
　比較例４では、回折層１２にＴａ２Ｏ５を用いる。導光基板１１は、比較例２、及び比較例３で用いた特許文献３の鉛フリー、ヒ素フリーの光学ガラス基板である。この組み合わせでは、回折層１２の屈折率は高いが、導光基板１１の各波長での屈折率が２．０５以下であり、屈折率差が大きくなる。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．１８、波長５３２ｎｍで０．１４、波長６３３ｎｍで０．１１と、いずれも０．１を超える。
　＜比較例５＞
　比較例５では、回折層１２にＺｒＯ２を用いる。導光基板１１は、比較例４と同じく、特許文献３の鉛フリー、ヒ素フリーの光学ガラス基板である。この組み合わせでも、回折層１２の屈折率は高いが、導光基板１１の各波長での屈折率が２．０５以下であり、屈折率差が大きくなる。屈折率差は、波長４５０ｎｍで０．１５、波長５３２ｎｍで０．１６、波長６３３ｎｍで０．１６と、いずれも０．１を超える。
　導光基板１１よりも回折層１２の屈折率が低い場合、回折層１２の屈折率と導光基板１１の屈折率の間の屈折率で規定される開口数（ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ）の光は、導光基板１１から回折層１２へ出ることができず、回折しない。したがって、λ３で回折層１２の屈折率は導光基板１１の屈折率よりも大きい必要がある。一方、回折層１２の屈折率と導光基板１１の屈折率の差Δｎが大きいと、界面での反射が大きくなり、アウトカプリング格子１２３での取出し効率が低下する。したがって、λ１、λ２、λ３の各波長で、回折層１２の屈折率と導光基板１１の屈折率の差は０．１以下（Δｎ≦０．１）であることが望ましい。特に、導光基板１１内を大きな反射角で全反射導波するλ３の波長では、界面反射の影響が大きくなるため、Δｎは０．１よりも小さいことが望ましい。λ３においては、Δｎは０．０５よりも小さいことがより望ましく、０．０３よりも小さいことがさらに望ましい。また、λ１、λ２、λ３それぞれの屈折率差をΔｎλ１、Δｎλ２、Δｎλ３とすると、Δｎλ１≧Δｎλ２≧Δｎλ３となっている場合が、界面反射の影響を全波長において低減しやすい。またλ１、λ２においては導光基板１１の屈折率よりも回折層１２の屈折率の方が低い場合においても所望のＦＯＶを全反射導光することが可能の場合が多く、導光基板１１よりも低分散でλ３よりも短波長で導光基板１１と回折層１２の屈折率が一致するような材料の組み合わせを選択してもよい。
　図１１は、回折層１２に用いられる材料の特性を示す。上述のように、導光基板１１の外部に光をアウトカプリングさせるために、回折層１２の屈折率は導光基板１１の屈折率以上とする。回折層１２の材料として、たとえば、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｅＯ２、ＭｏＯ３、ＴｉＯ２、ＷＯ３等を用いることができる。これ以外にも、導光基板１１の材料に応じて、ＨｆＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｎＯ、ＩＴＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ等の高屈折率材料も使用可能である。
　各波長での屈折率は、図１０と同様に、ｄ線での屈折率ｎｄと、ｄ線でのアッベ数νｄから計算されている。アッベ数が大きいほど色収差は低減される。図１１の例では、いずれの材料も屈折率ｎｄが２．１０よりも大きい。屈折率ｎｄが２．０５を超える導光基板１１を用いるときに、導光基板１１の屈折率に応じて、回折層１２の材料を選択することができる。
　＜ＦＯＶの設計＞
　図１２～図１４は、ＮＡダイアグラムとＦＯＶの設計を説明する図である。図１２の（Ａ）は、横軸をｘ方向の開口数ＮＡｘ、縦軸をｙ方向の開口数ＮＡｙとするＮＡダイアグラムである。内側の円と、外側の円の間のドーナツ状の領域が、導光基板１１内を全反射で光が伝搬できる領域である。内側の円は、臨界角でのＮＡを表し、外側の円は、最大伝搬角でのＮＡを表す。
　図１２の（Ｂ）は、導光基板１１内の伝搬状態を示す。開口数ＮＡはｎ×ｓｉｎθで表される。全反射伝搬する光の界面への入射角をθpropとする。界面で全反射が起き始める臨界角をθcとする。ＮＡダイアグラムの内側の円は、θprop＝θcのときのＮＡである。このときの開口数ＮＡを１（ＮＡ＝１）とすると、内側の円は半径１の円となる。
　外側の円で、θpropは９０°である（θprop＝９０°）。外側の円の半径は、導光基板１１の屈折率ｎで決まる。したがって、屈折率の高い導光基板１１を用いるほど、外側の円が広がり、全反射導波できる角度範囲が拡がる。
　図１３の（Ａ）で、ＮＡダイアグラムの中心の黒丸は、インカプリング格子１２１に入射する光の開口数ＮＡ（または入射角）である。黒丸から右方向に延びる矢印の終点の白丸は、アウトカプリング格子１２３で出射される光のＮＡを表す。黒丸と白丸の間の矢印は回折によって変化するＮＡを示す。全反射導光してアウトカプリング格子１２３から出射される光の回折次数は１次（ｍ＝１）である。
　図１３の（Ｂ）を参照すると、回折層１２から降ろした法線から見て右側を正のＮＡ、左側を負のＮＡとする。正のＮＡと負のＮＡの間の角度領域がＦＯＶである。実施形態の導光素子１０では、ＦＯＶは、λ１、λ２、λ３のいずれに対しても５５°以上である。回折格子のピッチをΛ、波長をλ、回折次数をｍとすると、インカプリング格子１２１への入射角と、アウトカプリング格子１２３からの出射角は、
　　　ｎin×ｓｉｎθin ＋ ｍλ／Λ＝ｎout×ｓｉｎθout
という関係になる。
　図１４は、入射ＦＯＶと出射ＦＯＶをそろえる設計を示す。図１４の（Ａ）のＮＡダイアグラムの中心の長方形は、入射ＦＯＶに対応するＮＡエリアである。長方形の横の辺はｘ方向のＦＯＶ（ＦＯＶｘ）に対応し、縦辺はｙ方向のＦＯＶ（ＦＯＶｙ）に対応する。厳密には長方形形状の視野の像はＮＡダイアグラム上では前記の長方形に内接する樽型となるが、便宜上長方形表示で代用する。対角ＦＯＶは、この長方形の対角でのＦＯＶに対応する。このＦＯＶで入射した光を、ドーナツ状の全反射伝搬領域Ｔを満たすように何度か回折させながら導光し、元の位置に戻す。
　図１４の（Ｂ）を参照すると、図１４の（Ａ）の中央のＮＡエリアで入射した光は、インカプリング格子１２１によって導光基板１１内に結合し、拡張格子２１２によって方向変換され、導光基板１１内を全反射しながらアウトカプリング格子１２３へと伝搬する。全反射伝搬光は、アウトカプリング格子１２３によって、入射ＦＯＶと同じ出射ＦＯＶで出射される。
　図１５は、±１次の回折導波方向と視認性を説明する図である。図１４のように、入射ＦＯＶと出射ＦＯＶを揃える構成とする場合、図１５の（Ａ）で、プラス（正）側のＦＯＶに対応する入射角の光を、進行方向と反対方向にインカプリングする。全反射伝搬した光がアウトカプリング格子２３により入射角と同じ角度出射されるとき、光はユーザの目２０の方向に出射される。同様に、マイナス（負）側のＦＯＶに対応する入射角の光を、進行方向と反対方向にインカプリングする。アウトカプリング格子により、入射角と同じ角度で出射された光は、ユーザの目２０の方向に向かい、像の視認性がよい。
　これに対し、図１５の（Ｂ）で、プラス（正）側の入射ＦＯＶが進行方向にインカプリングすると、アウトカプリング格子１２３で出射される光はユーザの目２０から外れる。マイナス（負）側のＦＯＶでも、同様のことが起きて、像の視認性が悪くなる。そこで、入射ＦＯＶと出射ＦＯＶを揃える設計にする場合、像の視認性が最も良くなる方向に光が回折するように、インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３を設計する。
　図１６は、±１次方向への回折を利用することによるＦＯＶの拡張効果を説明する。この例では＋ｘ方向と－ｘ方向への回折を例にとる。ＮＡダイアグラムで、プラス側のＦＯＶを太い線で、マイナス側のＦＯＶを細い線で示す。実線はＲ光のＦＯＶ、一点鎖線はＧ光のＦＯＶ、点線はＢ光のＦＯＶである。
　プラス側ＦＯＶは、ＲＧＢのすべてが、ＮＡダイアグラムの左側の全反射伝搬領域Ｔで導波する。マイナス側ＦＯＶは、ＲＧＢのすべてが、ＮＡダイアグラムの右側の全反射伝搬領域Ｔで導波する。ＲＧＢの全ＦＯＶを導波できる方向があるので、ケラレの発生が抑制される。±１次方向への回折を利用して、ＦＯＶの拡張効果が得られる。たとえば、λ３における屈折率が２．０８の導光基板を用いることで、ＲＧＢに含まれるλ１、λ２、λ３のいずれにおいても、５５°以上の対角ＦＯＶを実現できる。
　図１７は、インカプリング格子を、矩形格子を単位格子とする２次元回折格子とすることの効果を説明する図である。図１７の（Ａ）で、ライン＆スペース型の一次元パターンのインカプリング格子１２１ａを用いると、アウトカプリング格子１２３ｂの左側には図の左側に回折するプラス側ＦＯＶの光が導光し、アウトカプリング格子１２３ｂの右側には図の右側に回折するマイナス側ＦＯＶの光が導光する。アウトカプリング格子１２３ｂが単位格子を矩形格子とする２次元回折格子の場合には、アウトカプリング格子１２３ｂの上下左右方向への回折があり、アウトカプリング格子１２３ｂを光が２次元回折導光する。しかし、アウトカプリング格子１２３ｂの中央に向かう光は、インカプリング格子１２１ａでインカプリングしていない場合があり、結果として、アウトカプリング格子１２３ｂの中央部分で、導光が不十分になる場合があり得る。
　図１７の（Ｂ）で、単位格子を長方格子のような２次元回折格子インカプリング格子１２１ｂを用いることで、インカプリング格子１２１ｂからアウトカプリング格子１２３ｂ方向へ回折導光する光が生じ、プラス側ＦＯＶとマイナス側ＦＯＶを含む全ＦＯＶが導光基板の中央部分を導波する。アウトカプリング格子１２３ｂから出射される光像の光量が均一化され、視認性が向上する。２次元回折格子をブレーズド回折格子とすることで、１２３ｂ側に回折する回折効率を選択的に高めることが出来るので、入射光の利用効率を向上させることが出来る。
　図１８Ａは、単位格子を長方格子とする２次元回折格子を用いることの効果を説明する図である。ｘ方向の格子ピッチは３１０ｎｍ、ｙ方向の格子ピッチは３５５ｎｍである。ＮＡダイアグラムの中央の入射ＦＯＶのうち、右側がプラス側ＦＯＶ、左側がマイナス側ＦＯＶである。プラス側ＦＯＶはＮＡダイアグラムの左側で、ＲＧＢのすべてが全反射伝搬領域Ｔの中におさまって伝搬する。マイナス側ＦＯＶは、ＮＡダイアグラムの右側で、ＲＧＢのすべてが全反射伝搬領域Ｔの中におさまって伝搬する。＋ｙ方向と－ｙ方向でも、ＲＧＢのすべての波長で、全反射伝搬領域Ｔの中にあり、ケラレが発生しない。λ３における屈折率が２．０８の単層の導光基板１１を用いて、ＲＧＢすべてにおいて５５°以上の対角ＦＯＶを狙える。
　図１８Ｂと図１８Ｃは、単位格子を正方格子とする２次元回折格子を用いたときのＦＯＶ導光を示す。図１８Ｂで、ｘ方向とｙ方向の格子ピッチは３１０ｎｍ、図１８Ｃで、ｘ方向とｙ方向の格子ピッチは３５５ｎｍである。図１８Ｂでは、ＮＡダイアグラムのｙ方向の上下で、Ｒ光が十分に全反射導光されず、ケラレ（Ｖ）が発生する。図１８Ｃでは、ＮＡダイアグラムのｘ方向で、プラス側ＦＯＶとマイナス側ＦＯＶの双方で、Ｂ光が十分に全反射導光されず、ケラレ（Ｖ）が発生する。図１８Ａのように、単位格子を長方格子とする２次元回折格子を用いることで、ケラレの発生が抑制され、カラー画像の品質を維持できる。
　これらの内容を踏まえると、
対角ＦＯＶをＦＯＶｄｉａｇ
水平方向＋側ＦＯＶをＦＯＶｘ＋　（符号は正）
水平方向－側ＦＯＶをＦＯＶｘ－　（符号は正）
垂直方向＋側ＦＯＶをＦＯＶｙ＋　（符号は正）
垂直方向－側ＦＯＶをＦＯＶｙ－　（符号は正）
投影される像のアスペクト比がＡｘ：Ａｙ
の映像を投影する場合、導光基板１１のλ３での屈折率をｎ_λ３としたときに、少なくともアウトカプリング格子が長方格子を単位格子とする２次元回折格子であり、ｘ方向、ｙ方向それぞれのピッチΛｘ、Λｙが以下の式を満たす長方格子である場合に、ＲＧＢでＦＯＶ５５°以上かつ視認性も良い光学素子の設計が可能となる。
　　１≦λ１／Λｘ－ｓｉｎ（ＦＯＶｘ－）
　　（λ３／Λｘ）２＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ＋）２≦（ｎ_λ３）２
　　（λ３／Λｘ）２＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ－）２≦（ｎ_λ３）２　　　（１）
　　１≦λ１／Λｘ－ｓｉｎ（ＦＯＶｘ＋）
　　（λ３／Λｘ）２＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ＋）２≦（ｎ_λ３）２
　　（λ３／Λｘ）２＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ－）２≦（ｎ_λ３）２　　　（２）
　　１≦λ１／Λｙ－ｓｉｎ（ＦＯＶｙ＋）
　　λ３/Λy＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ－）≦(ｎ_λ３)
　　（λ３／Λｙ＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ－））２＋ｓｉｎ（ＦＯＶｘ＋）２≦（ｎ_λ３）２
　　（λ３／Λｙ＋ｓｉｎ（ＦＯＶｙ－））２＋ｓｉｎ（ＦＯＶｘ－）２≦（ｎ_λ３）２　　　（３）
　　ｔａｎ（（（ＦＯＶｘ＋）＋（ＦＯＶｘ－））／２）
　＝Ａｘ／（Ａｘ２＋Ａｙ２）１／２・ｔａｎ（ＦＯＶｄｉａｇ／２）　　（４）
　　ｔａｎ（（（ＦＯＶｙ＋）＋（ＦＯＶｙ－））／２）
　＝Ａｙ／（Ａｘ２＋Ａｙ２）１／２・ｔａｎ（ＦＯＶｄｉａｇ／２）　　（５）
　　ＦＯＶｄｉａｇ≧５５°　　　（６）
　＜実施例１のＦＯＶ特性＞
　図１９Ａは、実施例１のＲＧＢ導光の特性と回折像を示し、図１９Ｂは、実施例１のＧ導光の特性と回折像を示す。実施例１の回折格子の種類及びピッチと、導光基板１１の各波長での屈折率は、図８に示したとおりである。図１９ＡのＲＧＢ導光において、入射光の対角ＦＯＶは５５°、視野率は０．５、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は２４．４°、ｙ方向の半角は１４．３°である。
　図１９ＡのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像である。第１格子はライン＆スペースパターンの１次元回折格子、第２格子は、単位格子を長方格子とする２次元回折格子である。第１格子の回折像では、プラス側ＦＯＶはすべて左側の全反射伝搬領域内に回折し、マイナス側ＦＯＶはすべて右側の全反射伝搬領域内に回折する。
　第２格子の回折像では、±ｘ方向、±ｙ方向で、ＲＧＢのすべてが全反射伝搬領域内に回折する。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の格子ピッチは、このＮＡダイアグラムに示される回折が実現されるピッチに設定されている。この格子設計により、単層の導光基板１１を用い、対角ＦＯＶが５５°でケラレのないＲＧＢ映像を再現することができる。
　図１９ＢのＧ導光において、入射光の対角ＦＯＶは７０°、視野率は０．７、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は３１．４°、ｙ方向の半角は１８．９°である。
　図１９ＢのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像である。ライン＆スペース型の第１格子の回折像では、プラス側ＦＯＶはすべて左側の全反射伝搬領域内に回折し（太い一点鎖線の四角形）、マイナス側ＦＯＶはすべて右側の全反射伝搬領域内に回折（細い一点鎖線の四角形）する。
　単位格子を長方格子とする2次元回折格子であるの第２格子の回折像では、±ｘ方向、±ｙ方向で、Ｇ光が全反射伝搬領域内に回折する。この格子構成で単層の導光基板１１を用いて、Ｇ光でＦＯＶを拡張することができる。ただし、７０°の対角ＦＯＶでＲ光、またはＢ光を第２格子に垂直入射しても、±ｘ方向と±ｙ方向の双方で全反射導光が実現されるとは限らない。
　＜実施例２のＦＯＶ特性＞
　図２０Ａは、実施例２のＲＧＢ導光の特性と回折像を示し、図２０Ｂは、実施例２のＧ導光の特性と回折像を示す。実施例２の回折格子の種類及びピッチと、導光基板１１の各波長での屈折率は、図８に示したとおりである。図２０ＡのＲＧＢ導光において、入射光の対角ＦＯＶは５５°、視野率は０．５、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は２４．４°、ｙ方向の半角は１４．３°である。
　図２０ＡのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像である。第１格子、第２格子ともに単位格子を長方格子とする２次元回折格子である。
　第１格子の回折像では、ｘ軸方向で、プラス側ＦＯＶはすべて左側の全反射伝搬領域内に回折し、マイナス側ＦＯＶはすべて右側の全反射伝搬領域内に回折する。ｙ軸方向で、ＲＧＢすべてのＦＯＶは全反射伝搬領域内に回折する。第２格子の回折像でも、±ｘ方向、±ｙ方向で、ＲＧＢのすべてが全反射伝搬領域内に回折する。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の格子ピッチは、このＮＡダイアグラムの回折を実現するピッチに設定されている。この格子設計により。単層の導光基板１１を用い、対角ＦＯＶが５５°で、ケラレのないＲＧＢ映像を再現することができる。
　図２０ＢのＧ導光において、入射光の対角ＦＯＶは７０°、視野率は０．７、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は３１．４°、ｙ方向の半角は１８．９°である。
　図２０ＢのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像である。単位格子が長方格子の第１格子の回折像で、±ｘ方向、±ｙ方向のそれぞれでＧが全反射伝搬領域内に回折する。
　単位格子が長方格子の第２格子の回折像でも、±ｘ方向と、±ｙ方向で、Ｇ光が全反射伝搬領域内に回折する。単層の導光基板１１を用いて、Ｇ光でＦＯＶを拡張することができる。ただし、７０°の対角ＦＯＶでＲ光、またはＢ光を第２格子に垂直入射しても、±ｘ方向と±ｙ方向の双方で全反射導光が実現されるとは限らない。
　＜実施例３のＦＯＶ特性＞
　図２１Ａは、実施例３のＲＧＢ導光の特性と回折像を示し、図２１Ｂは、実施例３のＧ導光の特性と回折像を示す。実施例１の回折格子の種類及びピッチと、導光基板１１の各波長での屈折率は、図８に示したとおりである。図２１ＡのＲＧＢ導光において、入射光の対角ＦＯＶは６５°、視野率は０．６、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は２９．０°、ｙ方向の半角は１７．３°である。
　図２１ＡのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像である。第１格子、第２格子ともにはライン＆スペースパターンの１次元回折格子であるが、格子パターンが延びる方向は、第１格子と第２格子で直交する。
　第１格子の回折像では、ＲＧＢのすべてにおいて、入射ＦＯＶは＋ｘ方向と－ｘ方向で全反射伝搬領域内に回折する。第２格子の回折像では、ＲＧＢのすべてにおいて入射ＦＯＶは＋ｙ方向と－ｙ方向で全反射伝搬領域内に回折する。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の格子ピッチは、このＮＡダイアグラムの回折が実現されるピッチに設定されている。単層の導光基板１１とライン＆スペースの１次元回折格子を用い、対角ＦＯＶ６５°で、ケラレのないＲＧＢ映像を再現することができる。
　図２１ＢのＧ導光において、入射光の対角ＦＯＶは１００°、視野率は１．２、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は４６．１°、ｙ方向の半角は３０．３°である。
　図２１ＢのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像である。ライン＆スペース型の第１格子の回折像では、プラス側ＦＯＶとマイナス側ＦＯＶの両方が、±ｘ方向で全反射伝搬領域内に回折する。第２格子の回折像では、プラス側ＦＯＶとマイナス側ＦＯＶの両方が、±ｙ方向で全反射伝搬領域内に回折する。単層の導光基板１１を用いて、Ｇ光で対角ＦＯＶを１００°にまで拡張することができる。ただし、１００°の対角ＦＯＶでＲ光、またはＢ光を第２格子に垂直入射しても、±ｘ方向と±ｙ方向の双方で全反射導光が実現されるとは限らない。
　＜実施例４のＦＯＶ特性＞
　図２２Ａは、実施例４のＲＧＢ導光の特性と回折像を示し、図２２Ｂは、実施例４のＧ導光の特性と回折像を示す。実施例４の回折格子の種類及びピッチと、導光基板１１の各波長での屈折率は、図８に示したとおりである。図２２ＡのＲＧＢ導光において、入射光の対角ＦＯＶは８５°、視野率は０．９、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は３８．６°、ｙ方向の半角は２４．２°である。
　図２２ＡのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＲＧＢ光を垂直入射したときの回折像である。第１格子、第２格子ともに単位格子を長方格子とする２次元回折格子である。第１格子の回折像では、ｘ軸方向で、プラス側ＦＯＶはすべて左側の全反射伝搬領域内に回折し、マイナス側ＦＯＶはすべて右側の全反射伝搬領域内に回折する。ｙ軸方向で、ＲＧＢすべてのＦＯＶは全反射伝搬領域内に回折する。
　第２格子の回折像でも、±ｘ方向、±ｙ方向で、ＲＧＢのすべてが全反射伝搬領域内に回折する。インカプリング格子１２１とアウトカプリング格子１２３の格子ピッチは、このＮＡダイアグラムの回折が実現されるピッチに設定されている。この格子設計で、単層の導光基板１１を用い、対角ＦＯＶ８５°で、ケラレのないＲＧＢ映像を再現することができる。
　図２２ＢのＧ導光において、入射光の対角ＦＯＶは１１０°、視野率は１．４、入射像のアスペクト比は１６：９である。ｘ方向の半角は５１．２°、ｙ方向の半角は３５．０°である。
　図２１ＢのＮＡダイアグラムは、インカプリング格子１２１（図中、「第１格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像と、アウトカプリング格子１２３（図中、「第２格子」と表記）にＧ光を垂直入射したときの回折像である。長方格子の第１格子の回折像で、±ｘ方向、±ｙ方向のそれぞれでＧが全反射伝搬領域内に回折する。
　単位格子を長方格子とする２次元回折格子とする第２格子の回折像でも、±ｘ方向、±ｙ方向で、Ｇ光が全反射伝搬領域内に回折する。単層の導光基板１１を用いて、少なくともＧ光で対角ＦＯＶを１１０°にまで拡張できる。ただし、１１０°の対角ＦＯＶでＲ光、またはＢ光を、第１格子または第２格子に垂直入射しても、±ｘ方向と±ｙ方向の双方で全反射導光が実現されるとは限らない。
　以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。導光素子１０を用いた表示装置１００を、スマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等と連動させてもよい。スマートフォンやノート型ＰＣの表示画面を、対角ＦＯＶが５５°の作業視野に設定し、作業視野の周囲で、対角ＦＯＶが７０°以上の間接視野を設定してもよい。この場合、間接視野において、日常動作の妨げにならない範囲で簡単な単色画像や情報を表示してもよい。
　この出願は、２０２１年５月７日に出願された日本国特許出願第２０２１－０７９１８０号に基づき、その優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を含む。
１０　導光素子
１１　導光基板
１２　回折層
１２１、１２１ａ、１２１ｂ　インカプリング格子（第１回折格子）
１２２　拡張格子
１２３、１２３ａ、１２３ｂ　アウトカプリング格子（第２回折格子）
１００　表示装置
１１０　プロジェクタ
１２０　支持体

Claims (15)

  1. 　単層の導光基板と、
    　前記導光基板に形成された回折層と、
    を有し、
    　前記回折層は、前記導光基板に入射した入射光を前記導光基板内にインカプリングする第１回折格子と、前記導光基板を伝搬した全反射光を前記導光基板の外へアウトカプリングする第２回折格子と、を有し、
    　前記第１回折格子は、４５０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第１波長と、５３０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第２波長と、６３０ｎｍ±２０ｎｍ帯に含まれる第３波長の少なくとも一つの波長において、前記導光基板の法線方向を含む６０°以上の角度範囲で前記入射光をインカプリングし、
    　前記第２回折格子は、前記少なくとも一つの波長において、前記法線方向を含む６０°以上の角度範囲で前記全反射光をアウトカプリングする、導光素子。
  2. 　前記第１回折格子は、前記第１波長、前記第２波長、及び前記第３波長のいずれにおいても、前記法線方向を含む５５°以上の共通の角度範囲で前記入射光をインカプリングし、
    　前記第２回折格子は、前記第１波長、前記第２波長、及び前記第３波長のいずれにおいても、前記法線方向を含む５５°以上の共通の角度範囲で前記全反射光をアウトカプリングする、請求項１に記載の導光素子。
  3. 　前記導光基板の波長４５０ｎｍの光における厚さ１０ｍｍ当たりの内部透過率は９５％以上である、請求項１または２に記載の導光素子。
  4. 　前記導光基板は、等方性の単結晶基板、または光学軸が前記導光基板の法線方向の±４°以内の一軸性結晶基板である、請求項１～３のいずれか１項に記載の導光素子。
  5. 　前記導光基板は、ｄ線における屈折率が２．０５よりも大きい、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の導光素子。
  6. 　前記導光基板の組成は、酸化物基準のモル％にて母組成の合計を１００％としたとき、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が２０％～５０％、ＴｅＯ２の含有量が１０％～３５％含有する
    (１)Ｂｉ２Ｏ３－ＴｅＯ２系ガラス、あるいは、Ｌａ２Ｏ３の含有量が１０％～４０％、Ｂ２Ｏ３の含有量が１０％～３５％含有する（２）Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３系ガラスを
    である請求項１～５のいずれか１項に記載の導光素子。
  7. 　前記導光基板はＢｉ２Ｏ３を２０％以上含み、Ｂｉ２Ｏ３－ＴｅＯ２－Ｎｂ２Ｏ５－ＴｉＯ２－Ｔａ２Ｏ５－ＷＯ３ を５５mol％以上含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の導光素子。
  8. 　前記導光基板は、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＳｉＣ、またはダイヤモンドの基板である、請求項１～５のいずれか１項に記載の導光素子。
  9. 　前記回折層は、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｅＯ２、ＭｏＯ３、ＷＯ３、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｎＯ、ＩＴＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、または、これらのうちの２以上の混合物で形成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の導光素子。
  10. 　前記回折層の前記第３波長における屈折率は、前記導光基板の前記第３波長における屈折率よりも大きく、前記第３波長における前記回折層と前記導光基板の屈折率差は０．１以下である、請求項９に記載の導光素子。
  11. 　前記第２回折格子は単位格子を長方格子とする２次元回折格子であり、前記導光基板から前記第２回折格子に前記第１波長、前記第２波長、及び前記第３波長の光を垂直入射させたときに、（±１、０）次、または（０，±１）次の回折光が、いずれの波長においても前記導光基板内を全反射導光する格子ピッチを有する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の導光素子。
  12. 　前記第２回折格子は、単位格子を長方格子とする２次元回折格子であり、前記導光基板から前記第２回折格子に、前記第１波長、前記第２波長、前記第３波長のいずれかの光を垂直入射させたときに、（±１，±１）次の回折光が前記導光基板内を全反射導光する格子ピッチを有する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の導光素子。
  13. 　前記第１回折格子は単位格子を長方格子とする２次元回折格子であり、前記導光基板から前記第１回折格子に、前記第１波長、前記第２波長、及び前記第３波長の光を垂直入射させたときに、（±１，０）次の回折光、または（０，±１）次の回折光が、いずれの波長においても前記導光基板内を全反射導光する格子ピッチを有する、請求項１～１２のいずれか１項に記載の導光素子。
  14. 　前記第１回折格子は、単位格子を長方格子とする２次元回折格子であり、前記導光基板から前記第１回折格子に前記第１波長、前記第２波長、前記第３波長のいずれかの光を垂直入射させたときに、（±１，±１）次の回折光が前記導光基板内を全反射導光する格子ピッチを有する、請求項１～１２のいずれか１項に記載の導光素子。
  15. 　請求項１～１４のいずれか１項に記載の導光素子と、
    　プロジェクタと、
    を備え、前記プロジェクタから投射された光が前記導光素子に入射して、前記第２回折格子から出射される、表示装置。
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