JP6171740B2 - Optical device and image display apparatus - Google Patents
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本発明は、導光板と回折光学素子とを用いた光学デバイス、並びにその光学デバイスを備えた画像表示装置に関する。 The present invention relates to an optical device using a light guide plate and a diffractive optical element, and an image display apparatus including the optical device.
近年、画像投影装置の1つとして画像表示装置からの画像を、導光板を用いて、観察者の眼前まで導光して表示させるヘッドマウントディスプレイが商品化され、さらなる小型化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。その中で、導光板内への入射、出射を行うための素子の1つとして回折光学素子を用いた装置が提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2)。 In recent years, head mounted displays that display images from an image display device as one of the image projection devices in front of the viewer's eyes using a light guide plate have been commercialized, resulting in further miniaturization and wider angle of view. Development related to high efficiency is being carried out. Among them, an apparatus using a diffractive optical element is proposed as one of elements for entering and exiting the light guide plate (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
このような回折光学素子を用いた装置では、導光板を伝播してきた光は、出射用の回折光学素子領域で複数回この回折光学素子に入射し、その度に導光板から取り出され、観察者の眼に届く。したがって、観察者の眼の位置が水平方向に多少移動しても虚像が観察できる。 In such an apparatus using a diffractive optical element, light propagating through the light guide plate enters the diffractive optical element a plurality of times in the diffractive optical element region for output, and is taken out of the light guide plate each time. Reach the eyes. Therefore, a virtual image can be observed even if the position of the observer's eyes slightly moves in the horizontal direction.
しかしながら、回折光学素子の回折特性には大きな波長依存性があるため、観察される虚像の色むらが大きくなることがある。そこで、従来から、回折光学素子を用いた装置では、色むらを改善するための対策が施されている。 However, since the diffraction characteristics of the diffractive optical element have a large wavelength dependency, the color unevenness of the observed virtual image may increase. Therefore, conventionally, in an apparatus using a diffractive optical element, measures for improving color unevenness have been taken.
特許文献1に開示された画像表示装置では、回折効率の波長依存性による色ごとの効率差を低減させるために、複数の導光板を用意し、それぞれの導光板を伝播させる色(波長成分)を限定している。 In the image display device disclosed in Patent Document 1, in order to reduce the efficiency difference for each color due to the wavelength dependence of diffraction efficiency, a plurality of light guide plates are prepared, and the colors (wavelength components) propagate through the respective light guide plates. Is limited.
また、特許文献2に開示された画像表示装置では、出射用の回折光学素子の回折効率を位置によって変化させ、出射される光量の位置による差を少なくし、出射させる光量の分布を均一化する技術が開示されている。 In the image display device disclosed in Patent Document 2, the diffraction efficiency of the diffractive optical element for emission is changed depending on the position, the difference due to the position of the emitted light amount is reduced, and the distribution of the emitted light amount is made uniform. Technology is disclosed.
一方、観察する虚像のサイズを大きくしたい場合、導光板へ入射させる光の角度範囲を大きく(例えば全角で20度以上に)する必要がある。大きな角度範囲に亘って回折効率を高くできる回折光学素子として、体積ホログラムよりも表面レリーフ型回折格子の方がこのましく、このような表面レリーフ型回折格子を用いた装置も提案されている(例えば、特許文献3)。 On the other hand, when it is desired to increase the size of the virtual image to be observed, it is necessary to increase the angle range of light incident on the light guide plate (for example, 20 degrees or more in all angles). As a diffractive optical element capable of increasing the diffraction efficiency over a large angle range, a surface relief type diffraction grating is more preferable than a volume hologram, and an apparatus using such a surface relief type diffraction grating has also been proposed ( For example, Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1の装置では、出射用の回折光学素子の回折効率は、位置によらずに一定のため、入射用の回折光学素子から遠い位置ほど出射させる光量が減少し、出射用の回折光学素子における出射光量の分布が均一ではないという問題があった。 However, in the apparatus of Patent Document 1, the diffraction efficiency of the diffractive optical element for output is constant regardless of the position. There is a problem that the distribution of the emitted light quantity in the optical element is not uniform.
また、特許文献2の装置では、出射用の回折光学素子の回折効率を位置によって変化させ、出射される光量の位置による差を少なくすることが行われている。しかしながら、波長が長い光は導光板を伝播する角度が大きく、出射用の回折光学素子領域で回折格子に入射する回数は少ない。この場合は回折効率を位置によって変化させることで外へ取り出される光量の総量が少なくなる、という問題があった。 Further, in the apparatus of Patent Document 2, the diffraction efficiency of the diffractive optical element for emission is changed depending on the position to reduce the difference due to the position of the emitted light amount. However, light having a long wavelength propagates through the light guide plate at a large angle, and the number of times it enters the diffraction grating in the diffractive optical element region for emission is small. In this case, there is a problem that the total amount of light extracted outside is reduced by changing the diffraction efficiency depending on the position.
さらに、特許文献3の装置では、回折光学素子として表面レリーフ型回折格子を用いているため、導光板へ入射させる光の角度範囲を大きくすることができるが、出射用の表面レリーフ型回折格子の回折効率を位置によって変化させることを行っていないため、出射光量の分布が均一ではないという問題があった。 Furthermore, in the apparatus of Patent Document 3, since the surface relief type diffraction grating is used as the diffractive optical element, the angle range of the light incident on the light guide plate can be increased. Since the diffraction efficiency is not changed depending on the position, there is a problem that the distribution of the emitted light quantity is not uniform.
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、広い角度範囲に亘って回折効率を高くできる表面レリーフ型回折光学素子を用いた導光板構造において、色むらを低減できると共に出射光量分布を均一化でき光学デバイスの構造を提供することを解決課題とする。 Accordingly, in consideration of the above-described circumstances, the present invention can reduce color unevenness and make the emitted light amount distribution uniform in a light guide plate structure using a surface relief type diffractive optical element that can increase diffraction efficiency over a wide angle range. It is an object of the present invention to provide an optical device structure that can be realized.
上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの第1の態様は、第1光入射部と第1光出射部とを備えた第1導光体と、第2光入射部と第2光出射部とを備えた第2導光体と、前記第2導光体の前記第2光出射部に設けられ、前記第2導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第2導光体の外部に取り出す第1回折光学素子と、
前記第1導光体の前記第1光出射部に設けられ、前記第1導光体の内部を導光した光の少なくとも一部及び前記第1回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部を取り出す第2回折光学素子と、を有し、前記第1導光体及び前記第2導光体に入射する入射光は、一部が前記第1光入射部から前記第1導光体の内部に入射して導光され、他の一部が前記第2光入射部から前記第2導光体の内部に入射して導光され、前記第2導光体の内部を導光する光は、前記第1導光体の内部を導光する光よりも長波長の光を多く含み、前記第2回折光学素子は、前記第1光入射部に近い側と、前記第1光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含み、前記第1回折光学素子は、回折効率がほぼ一定であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a first aspect of the optical device according to the present invention includes a first light guide including a first light incident portion and a first light emitting portion, a second light incident portion, A second light guide including two light emitting portions; and at least a part of the light guided in the second light guide and provided in the second light emitting portion of the second light guide. A first diffractive optical element that is diffracted and taken out of the second light guide;
At least a part of the light that is provided in the first light emitting part of the first light guide and guided through the inside of the first light guide and at least a part of the light extracted by the first diffractive optical element A second diffractive optical element for taking out light, and a part of incident light incident on the first light guide and the second light guide is from the first light incident portion of the first light guide. Light that enters and is guided to the inside, and part of the light that enters the second light guide from the second light incident portion and is guided to guide the inside of the second light guide. Includes more light having a longer wavelength than the light guided inside the first light guide, and the second diffractive optical element includes a side closer to the first light incident part, and the first light incident part. The first diffractive optical element includes a portion where the diffraction efficiency is different on the side far from the distance, and the diffraction efficiency is substantially constant.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様によれば、第1導光体に入射する入射光は、一部が第1光入射部から第1導光体の内部に入射して導光され、他の一部が第2光入射部から第2導光体の内部に入射して導光される。第1導光体の内部に入射して導光される光の少なくとも一部は、第1導光体の第1光出射部に設けられた第2回折光学素子により第1導光体から取り出される。第2導光体の内部に入射して導光される光の少なくとも一部は、第2導光体の第2光出射部に設けられた第1回折光学素子により、第2導光体の外部に取り出される。さらに、第1回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部は、第2回折光学素子により取り出される。このとき、第2回折光学素子は、第1光入射部に近い側と、第1光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含むので、出射光量分布が均一化される。また、第1回折光学素子は、回折効率がほぼ一定なので、第1導光体内に導光される光よりも長波長の光を多く含む光が第2導光体内に導光され、第2導光体内を大きな角度で伝播し、第1回折光学素子に入射する回数が少ない場合でも、出射光量を増加させる。以上のように、この態様によれば、第1導光体と第2導光体の2つの導光体を用いることにより、回折効率の波長依存性による色ごとの効率差を低減し、第2回折光学素子に回折効率が異なる部分を設けたことにより出射光量分布の均一化を図り、かつ、第1回折光学素子は、回折効率がほぼ一定としたので、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。 According to the first aspect of the optical device according to the present invention described above, a part of the incident light incident on the first light guide is incident on the inside of the first light guide from the first light incident part. The other part is incident on the inside of the second light guide from the second light incident part and guided. At least a portion of the light that enters and is guided into the first light guide is extracted from the first light guide by the second diffractive optical element provided in the first light emitting portion of the first light guide. It is. At least a part of the light that enters the second light guide and is guided by the second light guide is provided by the first diffractive optical element provided in the second light emitting portion of the second light guide. Take out to the outside. Furthermore, at least a part of the light extracted by the first diffractive optical element is extracted by the second diffractive optical element. At this time, since the second diffractive optical element includes a portion where the diffraction efficiency is different between the side closer to the first light incident portion and the side far from the first light incident portion, the emitted light quantity distribution is made uniform. In addition, since the diffraction efficiency of the first diffractive optical element is substantially constant, light containing light having a longer wavelength than the light guided into the first light guide is guided into the second light guide. Even when the number of times of propagation through the light guide at a large angle and incidence on the first diffractive optical element is small, the amount of emitted light is increased. As described above, according to this aspect, by using the two light guides of the first light guide and the second light guide, the efficiency difference for each color due to the wavelength dependency of the diffraction efficiency is reduced, The two diffractive optical elements are provided with portions having different diffraction efficiencies so that the distribution of the quantity of emitted light is made uniform, and the diffraction efficiency of the first diffractive optical element is substantially constant. Thus, an optical device that can obtain a large amount of emitted light, and uniforms the emitted light amount distribution and suppresses color unevenness as a whole is provided.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第1回折光学素子は、一方の面に第1凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第2導光体の前記第2光入射部と前記第2光出射部との両方を含む断面視において、前記第1凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第2光出射部と交差する面が、前記第2光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、第1回折光学素子に表面レリーフ型回折格子を用いたことにより広い角度範囲に亘って回折効率を高くすると共に、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a first concavo-convex structure on one surface, and the second light guide In a cross-sectional view including both the second light incident portion and the second light emitting portion, a surface that intersects the second light emitting portion among the surfaces constituting the convex portion of the first uneven structure is the first light emitting portion. It is preferable to incline with respect to the direction perpendicular to the two light emitting portions. In this case, the surface relief type diffraction grating is used for the first diffractive optical element, so that the diffraction efficiency can be increased over a wide angle range, and a sufficient amount of emitted light can be obtained even for light on the long wavelength side. As a whole, an optical device is provided in which the emitted light quantity distribution is made uniform and color unevenness is suppressed.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第2回折光学素子は、一方の面に第2凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第1光出射部と交差する面が、前記第1光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、第2回折光学素子に表面レリーフ型回折格子を用いたことにより広い角度範囲に亘って回折効率を高くすると共に、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the second diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a second concavo-convex structure on one surface, and the first light guide In a cross-sectional view including both the first light incident portion and the first light emitting portion, a surface that intersects the first light emitting portion among the surfaces constituting the convex portion of the second uneven structure is the first light emitting portion. It is preferable to incline with respect to the direction perpendicular to the one light emitting part. In this case, the surface relief type diffraction grating is used for the second diffractive optical element, so that the diffraction efficiency can be increased over a wide angle range, and a sufficient amount of emitted light can be obtained even for light on the long wavelength side. As a whole, an optical device is provided in which the emitted light quantity distribution is made uniform and color unevenness is suppressed.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第2回折光学素子は、一方の面に第2凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の凹部の深さが、前記第1光入射部に近い側から、前記第1光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることが好ましい。この場合には、第1光入射部に近い側に到達する光の方が、第1光入射部から遠い側に到達する光よりも多くなるが、第1光入射部に近い側から、第1光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化しているので、回折効率が変化し、結果として出射光量分布の均一化が図られる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the second diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a second concavo-convex structure on one surface, and the first light guide In a cross-sectional view including both the first light incident portion and the first light emitting portion, the depth of the concave portion of the second concavo-convex structure is from the side closer to the first light incident portion. It is preferable to change gradually or stepwise from the part to the far side. In this case, the amount of light reaching the side closer to the first light incident part is larger than the light reaching the side farther from the first light incident part, but from the side closer to the first light incident part, Since it changes gradually or in steps from one light incident part to the far side, the diffraction efficiency changes, and as a result, the emitted light quantity distribution is made uniform.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第2回折光学素子は、一方の面に第2凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の充填率が、前記第1光入射部に近い側から、前記第1光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることが好ましい。この場合には、第1光入射部に近い側に到達する光の方が、第1光入射部から遠い側に到達する光よりも多くなるが、第1光入射部に近い側から、第1光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化しているので、回折効率が変化し、結果として出射光量分布の均一化が図られる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the second diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a second concavo-convex structure on one surface, and the first light guide In a cross-sectional view including both the first light incident part and the first light emitting part, the filling ratio of the second uneven structure is from the side close to the first light incident part, from the first light incident part. It is preferable to change gradually or in steps from the far side. In this case, the amount of light reaching the side closer to the first light incident part is larger than the light reaching the side farther from the first light incident part, but from the side closer to the first light incident part, Since it changes gradually or in steps from one light incident part to the far side, the diffraction efficiency changes, and as a result, the emitted light quantity distribution is made uniform.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第2回折光学素子は、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第1光出射部と交差する面が、前記第1光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、回折効率を高めて十分な出射光量を得ることができる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the second diffractive optical element is a cross-sectional view including both the first light incident portion and the first light emitting portion of the first light guide. In the above, it is preferable that a surface intersecting the first light emitting portion among the surfaces constituting the convex portion of the second concavo-convex structure is inclined with respect to a direction perpendicular to the first light emitting portion. In this case, it is possible to increase the diffraction efficiency and obtain a sufficient amount of emitted light.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第1導光体の前記第1光入射部に設けられ、前記入射光の一部を回折させて前記第1導光体の内部に入射させる第3回折光学素子と、前記第2導光体の前記第2光入射部に設けられ、前記入射光の他の一部を回折させて前記第2導光体の内部に入射させる第4回折光学素子とを有することが好ましい。この場合には、入射光を効率良く第1導光体および第2導光体の内部に入射させて導光させることができる。 1st aspect of the optical device which concerns on this invention mentioned above WHEREIN: It is provided in the said 1st light-incidence part of a said 1st light guide, and diffracts a part of said incident light, and the inside of a said 1st light-guide A third diffractive optical element that is incident on the second light guide and the second light incident portion of the second light guide, and diffracts the other part of the incident light to enter the second light guide. It is preferable to have a fourth diffractive optical element. In this case, incident light can be efficiently introduced into the first light guide and the second light guide to guide the light.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第3回折光学素子の格子周期は、前記第4回折光学素子の格子周期と異なる格子周期であり、かつ、前記第2回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であり、前記第4回折光学素子の格子周期は、前記第1回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であることが好ましい。この場合には、第2回折光学素子により回折させて第1導光体に入射させた光と同じ波長の光を第3回折光学素子により第1導光体から取り出すことができ、第3回折光学素子により回折させて第1導光体に入射させた光と同じ波長の光を第2回折光学素子により第1導光体から取り出すことができ、第4回折光学素子により回折させて第2導光体に入射させた光と同じ波長の光を第1回折光学素子により第2導光体から取り出すことができる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the grating period of the third diffractive optical element is a grating period different from the grating period of the fourth diffractive optical element, and the second diffractive optical element Preferably, the grating period of the fourth diffractive optical element is the same as the grating period of the first diffractive optical element. In this case, light having the same wavelength as the light diffracted by the second diffractive optical element and incident on the first light guide can be extracted from the first light guide by the third diffractive optical element. Light having the same wavelength as the light incident on the first light guide after being diffracted by the optical element can be extracted from the first light guide by the second diffractive optical element, and diffracted by the fourth diffractive optical element to obtain the second light. Light having the same wavelength as the light incident on the light guide can be extracted from the second light guide by the first diffractive optical element.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第3回折光学素子の格子周期は、前記第4回折光学素子の格子周期よりも短い格子周期であることが好ましい。この場合には、第1導光体に入射させる光の波長よりも長い波長の光を第2導光体に入射させることができる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, it is preferable that the grating period of the third diffractive optical element is shorter than the grating period of the fourth diffractive optical element. In this case, light having a wavelength longer than the wavelength of light incident on the first light guide can be incident on the second light guide.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第3回折光学素子は、一方の面に第3凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第3凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第1光入射部と交差する面が、前記第1光入射部に垂直な方向に対して傾斜し、前記第4回折光学素子は、一方の面に第4凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第2導光体の前記第2光入射部と前記第2光出射部との両方を含む断面視において、前記第4凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第2光入射部と交差する面が、前記第2光入射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、第3回折光学素子と第4回折光学素子に、傾斜面を有する凹凸構造を備えた表面レリーフ型回折格子を用いたことにより広い角度範囲に亘って回折効率を高くすると共に、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the third diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a third concavo-convex structure on one surface, and the first light guide In a cross-sectional view including both the first light incident portion and the first light emitting portion, a surface that intersects the first light incident portion among the surfaces constituting the convex portion of the third uneven structure is the first The fourth diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a fourth concavo-convex structure on one surface, which is inclined with respect to a direction perpendicular to one light incident part, and the second light guide In a cross-sectional view including both the second light incident portion and the second light emitting portion, a surface that intersects the second light incident portion among the surfaces constituting the convex portion of the fourth uneven structure is the second It is preferable to incline with respect to the direction perpendicular to the light incident part. In this case, the third diffractive optical element and the fourth diffractive optical element use a surface relief type diffraction grating having a concavo-convex structure having an inclined surface to increase the diffraction efficiency over a wide angle range, A sufficient amount of emitted light can be obtained even for light on the long wavelength side, and as a whole, an optical device is provided in which the emitted light amount distribution is made uniform and color unevenness is suppressed.
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記第4回折光学素子は、前記第2光入射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第3回折光学素子よりも前記第2光出射部側に位置し、前記第1回折光学素子は、前記第2光出射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第2回折光学素子よりも前記第2光入射部側に位置していることが好ましい。この場合には、入射光及び出射光の光軸に沿って各回折光学素子が配置されているので、入射時及び出射時における損失を低下させる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the fourth diffractive optical element has the first diffractive optical element more than the third diffractive optical element in a plan view as viewed from a direction perpendicular to the second light incident portion. The first diffractive optical element is located on the side of the second light emitting part, and the first diffractive optical element is closer to the second light incident part than the second diffractive optical element in a plan view as viewed from a direction perpendicular to the second light emitting part. Preferably it is located. In this case, since each diffractive optical element is arranged along the optical axis of incident light and outgoing light, the loss at the time of incident and outgoing is reduced.
次に、本発明に係る画像表示装置は、上述した本発明に係る光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備える。そのような画像表示装置は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメート光学系を備えてもよく、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させることができる。 Next, an image display apparatus according to the present invention includes the above-described optical device according to the present invention and an image forming unit that emits image light. Such an image display device may include an image forming unit such as a liquid crystal display and a collimating optical system, and can be adapted to a form mounted on the observer's head such as a head-mounted display.
このように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置においても、製造上の困難性を解消して製造コストの低廉化を図りつつ、観察者の顔に対するフィッティング性を向上させるとともに、広い画角を得ることができる光学デバイスを得ることができる。 As described above, according to the present invention, even in an image display device that is mounted on the observer's head, such as a head-mounted display, the manufacturing difficulty is reduced and the manufacturing cost is reduced. In addition, it is possible to obtain an optical device that can improve the fitting property to the face of the observer and can obtain a wide angle of view.
なお、上記本発明に係る画像表示装置において「画像形成部」とは、例えば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像として認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの装置、及び画像表示から出射された画像光を集光及び変換する光学系を含む。 In the image display device according to the present invention, the “image forming unit” refers to, for example, a liquid crystal display that displays an image, a laser scanning display that causes an observer to recognize an image by scanning laser light, and the like. It includes an optical system that collects and converts image light emitted from the image display.
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイに適用した場合を例に説明するが、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。 Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the ratio of dimensions of each part is appropriately changed from the actual one. In the embodiment described below, the optical device of the present invention is described as an example applied to a head-mounted display that is an example of an image display device that is mounted on the head of an observer. The embodiment shows one embodiment of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention.
<A:第1実施形態>
(ヘッドマウントディスプレイの全体構成)
図1は、第1実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ100の全体像の一例を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、このヘッドマウントディスプレイ100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。
<A: First Embodiment>
(Overall configuration of head mounted display)
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the entire image of the head mounted
具体的にヘッドマウントディスプレイ100は、導光板20と、導光板20を支持する左右一対のテンプル131,132と、テンプル131,132に付加された一対の画像形成装置111,112とを備える。ここで、図面上において、導光板20の左側と画像形成装置111とを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光板20で右側と画像形成装置112とを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。
Specifically, the head mounted
このようなヘッドマウントディスプレイ100の内部構造及び導光板について説明する。図2は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光板の一例を模式的に示す要部断面図である。図2は、本実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導光板を示す要部断面図である。なお、図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光板については図2を反転させて左右を入れ替えた構成となっている。図2に示すように、第1表示装置100A及び第2表示装置100Bは、画像形成部10と、導光板20とを備える。
The internal structure and light guide plate of the head mounted
画像形成部10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、本実施形態では、液晶表示デバイスであり、光源によって照明され赤(R)、緑(G)、青(B)の3色を含む画像光13を発生させ、投射光学系12に向けて出射する。画像表示装置11としては、有機ELパネルを用いることもできる。一方、投射光学系12は、画像表示装置11上の各点から出射された画像光を平行状態の光束に変換して、導光板20に入射させるコリメートレンズである。特に、本実施形態において、画像形成部10は、広い画角を得るために、パネルに対して垂直な法線方向に対して傾斜されて配置されている。
The
導光板20は、第1の導光板101と第2の導光板201から構成されている。第1の導光板101及び第2の導光板201の全体的な外観は、図中YX面に平行に延びる平板状の部材によって形成されている。第1の導光板101及び第2の導光板201は、ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材である。
The
第1の導光板101は、画像形成部10に対向配置された第1のパネル面101a、及び第1のパネル面101aと対向する第2のパネル面101bを有し、第1のパネル面101aの一方の端部に形成された光入射面101cを通じて画像光が入射され、入射された画像光は、第1のパネル面101a及び第2のパネル面101bにより全反射され、観察者の眼前に形成された光出射面101dへ導光する。
The first
第2の導光板201は、第1の導光板101に対向配置された第1のパネル面201a、及び第1のパネル面201aと対向する第2のパネル面201bを有し、第1のパネル面201aの一方の端部に形成された光入射面201cを通じて画像光が入射され、入射された画像光は、第1のパネル面201a及び第2のパネル面201bにより全反射され、第1のパネル面201aの他方の端部に形成された光出射面201dへ導光する。
The second
なお、第1の導光板101の第1及び第2のパネル面101a,101b、及び第2の導光板201の第1及び第2のパネル面201a,201bには反射コートを施さず、前記パネル面101a,101b,201a,201bに対して外界側から入射する外界光が、高い透過率で第1の導光板101及び第2の導光板201を通過するようにしてもよい。これにより、第1の導光板101及び第2の導光板201を、外界像の透視が可能なシースルータイプとすることができる。
The first and second panel surfaces 101a and 101b of the first
第1の導光板101の光入射面101cには、入射光を光出射面101d側の端面方向に回折させる第1回折光学素子102が設けられ、光出射面101dには、光出射面101dから外部に向けて画像光を回折させ、虚像光として観察者の眼EYに投射する第2回折光学素子103が設けられている。
The
第2の導光板201の光入射面201cには、入射光を光出射面201d側の端面方向に回折させる第3回折光学素子202が設けられ、光出射面201dには、光出射面201dから外部に向けて画像光を回折させ、第1の導光板101を介して虚像光として観察者の眼EYに投射する第4回折光学素子203が設けられている。
The
本実施形態においては、第1回折光学素子102、第2回折光学素子103、第3回折光学素子202、及び第4回折光学素子203は、一例として、いずれも表面レリーフ型の回折格子である。
In the present embodiment, as an example, the first diffractive
(第1の導光板)
第1の導光板101の光入射面101cに設けられた第1回折光学素子102は、回折効率を高めるために、格子面が図2に示す方向に傾斜している。回折光を入射光の中心軸に近い方から0次、±1次...と順序づけていくと、図3に示すように傾斜なしの矩形形状の表面レリーフ型の回折格子の場合は、+1次の回折光と−1次の回折光はほぼ同じ強度となる。
(First light guide plate)
In the first diffractive
しかし、表面レリーフ型の回折格子の格子面を傾斜させた場合には、格子面の傾斜と入射光の方向が図4に示すような関係にあると、格子面上でのブラッグ反射により回折光が発生するため、+1次の回折光の強度が、−1次の回折光の強度よりも高くなる。その結果、画像光を光出射面に向けて伝播する方向に回折される光に対する回折効率を高めることができる。 However, when the grating surface of the surface relief type diffraction grating is inclined, if the inclination of the grating surface and the direction of incident light are in a relationship as shown in FIG. 4, the diffracted light is caused by Bragg reflection on the grating surface. Therefore, the intensity of the + 1st order diffracted light becomes higher than the intensity of the −1st order diffracted light. As a result, it is possible to increase the diffraction efficiency for light diffracted in the direction in which image light propagates toward the light exit surface.
第1の導光板101の光出射面101dに設けられた第2回折光学素子103は、図2に示すように、格子面は傾斜していない。しかし、第2回折光学素子103は、図2に示すように、回折格子の深さが段階的に変化しており、第1の導光板101の光出射面101d側の端面に近くなるほど、深くなっている。詳しくは後述する。
As shown in FIG. 2, the grating surface of the second diffractive
なお、第2回折光学素子103が出射させる光は、画像光13と同じ角度にする必要があるので、第1回折光学素子102と第2回折光学素子103の格子周期(図2におけるX方向の周期)は同一となっている。
Since the light emitted from the second diffractive
図2に示すように、回折格子による回折角度は、波長によって異なり、波長が短いほど回折角度が小さい。したがって、第1回折光学素子102によって第1の導光板101に導入される角度は、青色光13B、緑色光13G、及び赤色光13Rによって異なっている。本実施形態では、青色光13Bが広い入射角度範囲に亘って第1の導光板101内を全反射で伝播できるように、第1回折光学素子102の格子周期が決められている。このように構成すると、赤色光13Rに対する回折角は大きくなり、赤色光13Rに対する回折効率は大きく低下する。したがって、第1の導光板101は、実質的に青色光13Bと緑色光13Gが伝播される。
As shown in FIG. 2, the diffraction angle by the diffraction grating varies depending on the wavelength, and the shorter the wavelength, the smaller the diffraction angle. Therefore, the angle introduced into the first
第1の導光板101内で全反射を繰り返しながら伝播した光は、第2回折光学素子103に到達し、回折格子面に入射するたびに少しずつ取り出されて観察者の眼EYに到達する。波長が短い青色光13Bは、第1の導光板101内を小さな角度(立った角度)で伝播し、第2回折光学素子103が設けられている領域においては、第2回折光学素子103に入射する回数が、緑色光13G、赤色光13Rに比べて多くなる。図2では、青色光13Bが第2回折光学素子103に5回入射する例を示している。
The light propagated while repeating total reflection in the first
(第2回折光学素子)
図5に第2回折光学素子103が設けられた部分を拡大して示す。図5に示すように、第2回折光学素子103は、5つの領域103A,103B,103C,103D,103Eに分割されおり、それぞれの領域で回折格子の深さが異なっている。第1回折光学素子102から見て最も遠い領域103Eにおける回折格子の深さが最も深く、領域103Eにおける回折格子の深さは、第1の導光板101内を小さな角度で伝播してくる青色光13Bに対して、1次回折効率が最大となる深さとなっている。そして、回折格子の深さは、領域103D,103C,103B,103Aと第1回折光学素子102に近くなるほど、段階的に回折格子の深さが浅くなっている。
(Second diffractive optical element)
FIG. 5 shows an enlarged portion where the second diffractive
図6に示すように、全体が同じ深さの第2回折光学素子103'を第1の導光板101に設けたとすると、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aで多くの光が取り出され、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eまで到達する光量が減少してしまう。
As shown in FIG. 6, when the second diffractive
図7に、深さが段階的に変化する第2回折光学素子103を用いた場合と、全体が同じ深さの第2回折光学素子103'を用いた場合の出射光量の比較結果を示す。図7において、曲線aは、全体が同じ深さの第2回折光学素子103'を用いた場合の出射光量の分布を示す。また、曲線bは、深さが段階的に変化する第2回折光学素子103を用いた場合の出射光量の分布を示す。
FIG. 7 shows a comparison result of the amount of emitted light when the second diffractive
図7に示すように、全体が同じ深さの第2回折光学素子103'を用いた場合には、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aで多くの光が取り出され、第1回折光学素子102から遠い領域になるほど、光量が減少してしまうことがわかる。
As shown in FIG. 7, when the second diffractive
しかし、図7に示すように、深さが段階的に変化する第2回折光学素子103を用いた場合には、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aから、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eまで、出射光量の分布はほぼ均一となる。これは、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aでの回折格子を浅くして回折効率を低くしてあるため、領域103A以降においても第1の導光体101内に残存している光量が増加し、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eまで光を届けることができるためである。
However, as shown in FIG. 7, when the second diffractive
(第2の導光板)
第1の導光板101の第1回折光学素子102で回折されずに透過した光23は、第2の導光板201の光入射面201cに設けられた第3回折光学素子202に入射する。第3回折光学素子202に入射した光は、回折されて第2の導光板201に導入される。
(Second light guide plate)
The light 23 transmitted without being diffracted by the first diffractive
第2の導光板201の光入射面201cに設けられた第3回折光学素子202は、回折効率を高めるために、格子面が図2に示す方向に傾斜している。格子面が傾斜している構成は、第1回折光学素子102と同様である。しかし、第3回折光学素子202の格子周期は、第1回折光学素子102の格子周期とは異なっている。このように第3回折光学素子202の格子周期を第1回折光学素子102の格子周期と異ならせたために、第1の導光板101内を伝播させる光と異なる波長範囲の光を第2の導光板201内に伝播させることができる。具体的には、第3回折光学素子202の格子周期は、緑色光23Gが広い入射角度範囲に亘って第2の導光板201内を全反射で伝播できるように第1回折光学素子102の格子周期よりも長い格子周期に設定されている。したがって、入射角によっては、青色光に対する回折角が小さくなり、第2の導光板201と空気の界面で全反射されずに第2の導光板201を透過してしまう。その結果、第2の導光板201では、実質的に緑色光23Gと赤色光23Rが伝播されることになる。
The third diffractive
第2の導光板201の光出射面201dに設けられた第4回折光学素子203は、第3回折光学素子202と同様に、回折効率を高めるために、格子面が図2に示す方向に傾斜している。詳しくは後述する。
As with the third diffractive
なお、第4回折光学素子203が出射させる光は、画像光23と同じ角度にする必要があるので、第3回折光学素子202と第4回折光学素子203の格子周期(図2におけるX方向の周期)は同一となっている。
The light emitted from the fourth diffractive
第2の導光板201では、緑色光23Gと赤色光23Rが伝播されるが、その中でも赤色光23Rを高い効率で伝播させることが重要となる。これは、緑色光は第1の導光板101でも伝播されるためである。
In the second
波長が長い赤色光23Rは、第3回折光学素子202によって大きな角度で回折されるため、第2の導光板201内部を大きな角度で伝播する。したがって、第4回折光学素子203が設けられている領域においては、第4回折光学素子203に入射する回数が少ない。図2では、赤色光23Rが第4回折光学素子203に2回入射する例を示している。
Since the
(第4回折光学素子)
このように、第4回折光学素子203に入射する回数が少ない場合には、第2回折光学素子103のように、複数の領域に分割して入射側の回折光学素子に近い領域の回折効率を低くしても、出射光量の分布を均一化する効果は少なく、出射される光量が低下して観察される虚像が暗くなる場合がある。
(Fourth diffractive optical element)
As described above, when the number of times of incidence on the fourth diffractive
そこで、本実施形態においては、図8に示すように、第4回折光学素子203の格子面を傾斜させ、傾斜型表面レリーフ回折格子とすることで、出射光量を増加させている。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the amount of emitted light is increased by inclining the grating surface of the fourth diffractive
(回折光学素子の位置関係)
図9に示すように、第1の導光板101の第1回折光学素子102に入射する光の光軸は、所定の角度で傾斜しているため、第2の導光板201の第3回折光学素子202の位置は、第1回折光学素子102に比べて第2の導光板201の中央部側に移動した位置になっている。
(Positional relationship of diffractive optical elements)
As shown in FIG. 9, since the optical axis of the light incident on the first diffractive
同様に、第1の導光板101の第2回折光学素子103から出射する光の光軸は、所定の角度で傾斜しているため、第2の導光板201の第4回折光学素子203の位置は、第1回折光学素子102に比べて第2の導光板201の中央部側に移動した位置になっている。
Similarly, since the optical axis of the light emitted from the second diffractive
したがって、第1の導光板101の正面側から見ると、図10に示すように、第1回折光学素子102と第3回折光学素子202、及び、第2回折光学素子103と第4回折光学素子203の位置は、第1の導光板101の長手方向においてずれた位置関係を有している。なお、図10においては、各回折光学素子を枠のみで表している。各回折光学素子をこのような位置に配置することにより、入射時及び出射時における損失を低下させることができる。
Accordingly, when viewed from the front side of the first
以上説明したように、本実施形態によれば、青色光から緑色光を分担する第1の導光板101と、緑色光から赤色光を分担する第2の導光板201とに分離して導光させ、出射面101dでの反射回数が多い青色光に対しては、回折効率が領域によって異なる第2回折光学素子103を適用し、出射面201dでの反射回数が少ない赤色光に対しては、格子面が傾斜した第4回折光学素子203を適用したので、出射光量分布の不均一あるいは色ムラを抑制した虚像を表示できる画像表示装置を提供することができる。
As described above, according to this embodiment, the light is separated into the first
<B:第2実施形態>
次いで、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第2回折光学素子103における回折効率を領域によって変えるために、第2回折光学素子103の回折格子の充填率を領域によって変更した例である。図11は本実施形態における第2回折光学素子103が設けられた部分の拡大図である。図12は回折格子の充填率を説明するための図である。
<B: Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is an example in which the filling rate of the diffraction grating of the second diffractive
図12に示すように、回折格子の充填率とは、回折格子の格子周期に対する回折格子の幅が占める比率で、隣り合う2つの回折格子の間隔、つまり格子周期をP、回折格子の幅をLとした時、L/Pで表される。 As shown in FIG. 12, the filling factor of the diffraction grating is a ratio of the width of the diffraction grating to the grating period of the diffraction grating, and the interval between two adjacent diffraction gratings, that is, the grating period is P, and the width of the diffraction grating is When L, it is expressed as L / P.
格子周期Pは、第2回折光学素子103全体に亘って同一なので、本実施形態においては、回折格子の充填率を変えるために、図11に示すように複数の領域103A〜103Eのそれぞれにおいて回折格子の幅を変化させた。具体的には、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eの回折格子の充填率が最も高く、領域103D、領域103C、領域103B、領域103Aと第1回折光学素子102に近づくほど、回折格子の充填率を低くしている。このように構成した結果、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eの回折効率が最も高く、領域103D、領域103C、領域103B、領域103Aと第1回折光学素子102に近づくほど回折効率が低下し、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aで最も回折効率が低くなっている。
Since the grating period P is the same throughout the second diffractive
本実施形態によれば、青色光から緑色光を分担する第1の導光板101と、緑色光から赤色光を分担する第2の導光板201とに分離して導光させ、出射面101dでの反射回数が多い青色光に対しては、回折効率が領域によって異なる第2回折光学素子103を適用し、出射面201dでの反射回数が少ない赤色光に対しては、格子面が傾斜した第4回折光学素子203を適用したので、出射光量分布の不均一あるいは色ムラを抑制した虚像を表示できる画像表示装置を提供することができる。
According to this embodiment, the first
<C:第3実施形態>
次いで、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第2回折光学素子103における回折効率を領域によって変えるために、第2回折光学素子103の回折格子の深さを領域によって変更すると共に、回折格子を傾斜させた例である。図13は本実施形態における第2回折光学素子103が設けられた部分の拡大図である。
<C: Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, in order to change the diffraction efficiency in the second diffractive
図13に示すように、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eの回折格子の深さが最も深く、第1の導光板101内を小さな角度で伝播してくる青色光13Bに対して、1次回折効率が最大となる深さとなっている。そして、回折格子の深さは、領域103D,103C,103B,103Aと第1回折光学素子102に近くなるほど、段階的に回折格子の深さが浅くなっている。このように構成した結果、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eの回折効率が最も高く、領域103D、領域103C、領域103B、領域103Aと第1回折光学素子102に近づくほど回折効率が低下し、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aで最も回折効率が低くなっている。
As shown in FIG. 13, for the
さらに、本実施形態においては、第2回折光学素子103の回折格子を図13に示すように傾斜させている。その結果、第2回折光学素子103から出射される光の光量を増加させることができる。
Furthermore, in this embodiment, the diffraction grating of the second diffractive
本実施形態によれば、青色光から緑色光を分担する第1の導光板101と、緑色光から赤色光を分担する第2の導光板201とに分離して導光させ、出射面101dでの反射回数が多い青色光に対しては、回折効率が領域によって異なる第2回折光学素子103を適用し、出射面201dでの反射回数が少ない赤色光に対しては、格子面が傾斜した第4回折光学素子203を適用したので、出射光量分布の不均一あるいは色ムラを抑制した虚像を表示できる画像表示装置を提供することができる。
According to this embodiment, the first
<D:第4実施形態>
次いで、本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第2回折光学素子103における回折効率を領域によって変えるために、第2回折光学素子103の回折格子の充填率を領域によって変更すると共に、回折格子を傾斜させた例である。図14は本実施形態における第2回折光学素子103が設けられた部分の拡大図である。
<D: Fourth Embodiment>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, in order to change the diffraction efficiency in the second diffractive
本実施形態では、図14に示すように複数の領域103A〜103Eのそれぞれにおいて回折格子の幅を変化させ、回折格子の充填率を変化させた。具体的には、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eの回折格子の充填率が最も高く、領域103D、領域103C、領域103B、領域103Aと第1回折光学素子102に近づくほど、回折格子の充填率を低くしている。このように構成した結果、第1回折光学素子102から最も遠い領域103Eの回折効率が最も高く、領域103D、領域103C、領域103B、領域103Aと第1回折光学素子102に近づくほど回折効率が低下し、第1回折光学素子102に最も近い領域103Aで最も回折効率が低くなっている。
In this embodiment, as shown in FIG. 14, the width of the diffraction grating is changed in each of the plurality of
さらに、本実施形態においては、第2回折光学素子103の回折格子を図13に示すように傾斜させている。その結果、第2回折光学素子103から出射される光の光量を増加させることができる。
Furthermore, in this embodiment, the diffraction grating of the second diffractive
本実施形態によれば、青色光から緑色光を分担する第1の導光板101と、緑色光から赤色光を分担する第2の導光板201とに分離して導光させ、出射面101dでの反射回数が多い青色光に対しては、回折効率が領域によって異なる第2回折光学素子103を適用し、出射面201dでの反射回数が少ない赤色光に対しては、格子面が傾斜した第4回折光学素子203を適用したので、出射光量分布の不均一あるいは色ムラを抑制した虚像を表示できる画像表示装置を提供することができる。
According to this embodiment, the first
<E:変形例>
上述した第1実施形態〜第4実施形態では、入射側の回折光学素子である第1回折光学素子102,第3回折光学素子202として、表面レリーフ型の回折格子を用いたが、これに限定されるものではなく、体積ホログラム、ミラー、あるいはプリズム等の光学素子を用いることも可能である。また、第1実施形態〜第4実施形態では、第1回折光学素子102,第3回折光学素子202,第4回折光学素子203として、傾斜型の表面レリーフ回折格子を用いる例について説明したが、ブレーズ型回折格子を適用することも可能である。
<E: Modification>
In the first to fourth embodiments described above, surface relief type diffraction gratings are used as the first diffractive
さらに、上述した第1実施形態〜第4実施形態では、便宜的に、第2回折光学素子103を5つの領域に分割した例について説明したが、さらに分割数を多くするようにしてもよい。あるいは、領域ごとに回折格子の深さや回折格子の充填率を変更するのではなく、連続的に回折格子の深さや回折格子の充填率を変化させるように構成することも可能である。
Furthermore, in the above-described first to fourth embodiments, the example in which the second diffractive
10…画像形成部、11…画像表示装置、12…投射光学系、13…画像光、13B…青色光、13G…緑色光、13R…赤色光、20…導光板、23…画像光、23G…緑色光、23R…赤色光、100…ヘッドマウントディスプレイ、100A,100B…表示装置、101…第1導光板、101a,101b…パネル面、101c…第1光入射面、101d…第1光出射面、102…第1回折光学素子、103…第2回折光学素子、103A,103B,103C,103D,103E…領域、111,112…画像形成装置、131,132…テンプル、201…第2導光板、201a,201b…パネル面、201c…第2光入射面、201d…第2光出射面、202…第3回折光学素子、203…第4回折光学素子。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
第2光入射部と第2光出射部とを備えた第2導光体と、
前記第2導光体の前記第2光出射部に設けられ、前記第2導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第2導光体の外部に取り出す第1回折光学素子と、
前記第1導光体の前記第1光出射部に設けられ、前記第1導光体の内部を導光した光の少なくとも一部及び前記第1回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部を取り出す第2回折光学素子と、を有し、
前記第1導光体及び前記第2導光体に入射する入射光は、一部が前記第1光入射部から前記第1導光体の内部に入射して導光され、他の一部が前記第2光入射部から前記第2導光体の内部に入射して導光され、
前記第2導光体の内部を導光する光は、前記第1導光体の内部を導光する光よりも長波長の光を多く含み、
前記第2回折光学素子は、前記第1光入射部に近い側と、前記第1光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含み、
前記第1回折光学素子は、回折効率がほぼ一定であることを特徴とする光学デバイス。 A first light guide including a first light incident portion and a first light emitting portion;
A second light guide including a second light incident portion and a second light emitting portion;
A first light provided at the second light emitting portion of the second light guide and diffracting at least a part of the light guided inside the second light guide to be taken out of the second light guide. A diffractive optical element;
At least a part of the light that is provided in the first light emitting part of the first light guide and guided through the inside of the first light guide and at least a part of the light extracted by the first diffractive optical element A second diffractive optical element for taking out
A part of the incident light incident on the first light guide and the second light guide is incident on the inside of the first light guide from the first light incident part, and is guided to the other part. Is incident on the inside of the second light guide from the second light incident part, is guided,
The light that guides the inside of the second light guide includes more light having a longer wavelength than the light that guides the inside of the first light guide,
The second diffractive optical element includes a portion where the diffraction efficiency is different between a side closer to the first light incident part and a side far from the first light incident part,
The optical device according to claim 1, wherein the first diffractive optical element has substantially constant diffraction efficiency.
前記第1回折光学素子は、一方の面に第1凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第2導光体の前記第2光入射部と前記第2光出射部との両方を含む断面視において、前記第1凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第2光出射部と交差する面が、前記第2光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1.
The first diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a first concavo-convex structure on one surface, and includes a second light incident part and a second light output part of the second light guide. In a cross-sectional view including both, a surface intersecting the second light emitting portion among the surfaces constituting the convex portion of the first concavo-convex structure is inclined with respect to a direction perpendicular to the second light emitting portion. An optical device characterized by that.
前記第2回折光学素子は、一方の面に第2凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第1光出射部と交差する面が、前記第1光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1 or 2,
The second diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a second concavo-convex structure on one surface, and includes the first light incident part and the first light output part of the first light guide. In a cross-sectional view including both, a surface that intersects the first light emitting portion among the surfaces constituting the convex portion of the second concavo-convex structure is inclined with respect to a direction perpendicular to the first light emitting portion. An optical device characterized by that.
前記第2回折光学素子は、一方の面に第2凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の凹部の深さが、前記第1光入射部に近い側から、前記第1光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1 or 2,
The second diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a second concavo-convex structure on one surface, and includes the first light incident part and the first light output part of the first light guide. In a cross-sectional view including both, the depth of the concave portion of the second concavo-convex structure changes gradually or stepwise from the side closer to the first light incident portion to the side farther from the first light incident portion. An optical device characterized by that.
前記第2回折光学素子は、一方の面に第2凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の充填率が、前記第1光入射部に近い側から、前記第1光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1 or 2,
The second diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a second concavo-convex structure on one surface, and includes the first light incident part and the first light output part of the first light guide. In a cross-sectional view including both, the filling factor of the second concavo-convex structure changes gradually or stepwise from the side closer to the first light incident part to the side farther from the first light incident part. An optical device.
前記第2回折光学素子は、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第2凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第1光出射部と交差する面が、前記第1光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 4 or 5,
The second diffractive optical element has a surface constituting a convex portion of the second concavo-convex structure in a cross-sectional view including both the first light incident portion and the first light emitting portion of the first light guide. Among these, the optical device is characterized in that a surface intersecting with the first light emitting portion is inclined with respect to a direction perpendicular to the first light emitting portion.
前記第1導光体の前記第1光入射部に設けられ、前記入射光の一部を回折させて前記第1導光体の内部に入射させる第3回折光学素子と、
前記第2導光体の前記第2光入射部に設けられ、前記入射光の他の一部を回折させて前記第2導光体の内部に入射させる第4回折光学素子と、を有することを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 6,
A third diffractive optical element that is provided in the first light incident portion of the first light guide and diffracts a part of the incident light to enter the first light guide;
A fourth diffractive optical element provided at the second light incident portion of the second light guide and diffracting another part of the incident light to be incident on the second light guide. An optical device characterized by.
前記第3回折光学素子の格子周期は、前記第4回折光学素子の格子周期と異なる格子周期であり、かつ、前記第2回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であり、
前記第4回折光学素子の格子周期は、前記第1回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 7.
The grating period of the third diffractive optical element is a grating period different from the grating period of the fourth diffractive optical element, and is the same as the grating period of the second diffractive optical element,
The optical device according to claim 4, wherein a grating period of the fourth diffractive optical element is the same as a grating period of the first diffractive optical element.
前記第3回折光学素子の格子周期は、前記第4回折光学素子の格子周期よりも短い格子周期であることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 8.
An optical device, wherein the grating period of the third diffractive optical element is a grating period shorter than the grating period of the fourth diffractive optical element.
前記第3回折光学素子は、一方の面に第3凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第1導光体の前記第1光入射部と前記第1光出射部との両方を含む断面視において、前記第3凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第1光入射部と交差する面が、前記第1光入射部に垂直な方向に対して傾斜し、
前記第4回折光学素子は、一方の面に第4凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第2導光体の前記第2光入射部と前記第2光出射部との両方を含む断面視において、前記第4凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第2光入射部と交差する面が、前記第2光入射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 7 to 9,
The third diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a third concavo-convex structure on one surface, and includes a first light incident portion and a first light emitting portion of the first light guide. In a cross-sectional view including both, a surface that intersects the first light incident portion among the surfaces constituting the convex portion of the third uneven structure is inclined with respect to a direction perpendicular to the first light incident portion,
The fourth diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating having a fourth concavo-convex structure on one surface, and includes the second light incident portion and the second light emitting portion of the second light guide. In a cross-sectional view including both, a surface that intersects the second light incident portion among the surfaces constituting the convex portion of the fourth concavo-convex structure is inclined with respect to a direction perpendicular to the second light incident portion. An optical device characterized by that.
前記第4回折光学素子は、前記第2光入射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第3回折光学素子よりも前記第2光出射部側に位置し、
前記第1回折光学素子は、前記第2光出射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第2回折光学素子よりも前記第2光入射部側に位置していることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 7 to 10,
The fourth diffractive optical element is located closer to the second light emitting part than the third diffractive optical element in a plan view as viewed from a direction perpendicular to the second light incident part;
The first diffractive optical element is located closer to the second light incident part than the second diffractive optical element in a plan view as viewed from a direction perpendicular to the second light emitting part. Optical device.
An image display apparatus comprising: the optical device according to claim 1; and an image forming unit that emits image light.
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Families Citing this family (30)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN109476175B (en) | 2016-05-06 | 2021-07-30 | 奇跃公司 | Supersurface with asymmetric grating for redirecting light and method of making same |
KR102194688B1 (en) | 2016-08-22 | 2020-12-24 | 매직 립, 인코포레이티드 | Multilayer diffraction eyepiece |
EP3532879B1 (en) * | 2016-10-26 | 2022-11-23 | Magic Leap, Inc. | Outcoupling grating for augmented reality system |
US11067860B2 (en) | 2016-11-18 | 2021-07-20 | Magic Leap, Inc. | Liquid crystal diffractive devices with nano-scale pattern and methods of manufacturing the same |
CN115469458A (en) | 2016-11-18 | 2022-12-13 | 奇跃公司 | Spatially variable liquid crystal diffraction grating |
CN110023234B (en) * | 2016-12-02 | 2024-01-09 | 分子印记公司 | Configuring optical layers in imprint lithography processes |
US11681153B2 (en) | 2017-01-27 | 2023-06-20 | Magic Leap, Inc. | Antireflection coatings for metasurfaces |
JP7142015B2 (en) | 2017-01-27 | 2022-09-26 | マジック リープ, インコーポレイテッド | Diffraction gratings formed by metasurfaces with differently directed nanobeams |
US11269144B2 (en) * | 2017-03-21 | 2022-03-08 | Magic Leap, Inc. | Stacked waveguides having different diffraction gratings for combined field of view |
CA3055533C (en) * | 2017-04-04 | 2022-08-30 | Leia Inc. | Unilateral backlight, multiview display, and method employing slanted diffraction gratings |
FI128376B (en) * | 2017-06-02 | 2020-04-15 | Dispelix Oy | Method of manufacturing a variable efficiency diffractive grating and a diffractive grating |
KR102060551B1 (en) * | 2017-08-16 | 2020-02-11 | 주식회사 엘지화학 | Manufacturing mathod of mold substrate for diffraction grating light guide plate and manufacturing mathod of manufacturing diffraction grating light guide plate |
KR102077614B1 (en) | 2017-08-18 | 2020-02-17 | 주식회사 엘지화학 | Method for manufacturing a module having multiple pattern area,the modue, and method manufacturing diffraction grating module or mold of diffraction grating module |
KR102477096B1 (en) | 2017-08-30 | 2022-12-13 | 삼성전자주식회사 | Backlight unit including input coupler, holographic display apparatus including the backlight unit, and method of manufacturing the input coupler |
WO2019054756A1 (en) * | 2017-09-12 | 2019-03-21 | 주식회사 엘지화학 | Diffraction light guide plate and method for manufacturing diffraction light guide plate |
EP3660551B1 (en) | 2017-10-24 | 2022-11-30 | LG Chem, Ltd. | Diffractive light guide plate and method for manufacturing diffractive light guide plate |
EP3712683A4 (en) * | 2017-12-15 | 2020-12-23 | Lg Chem, Ltd. | Wearable device |
KR102273970B1 (en) * | 2017-12-26 | 2021-07-07 | 주식회사 엘지화학 | Method for plasma etching process using faraday box |
US10564332B2 (en) * | 2018-01-26 | 2020-02-18 | Applied Materials, Inc. | Controlling grating outcoupling strength for AR waveguide combiners |
CN108345062B (en) * | 2018-05-07 | 2024-08-27 | 太若科技(北京)有限公司 | Waveguide assembly and display device |
JP7293593B2 (en) * | 2018-09-19 | 2023-06-20 | 大日本印刷株式会社 | exit pupil expansion element |
JP7297548B2 (en) * | 2019-06-21 | 2023-06-26 | 株式会社日立エルジーデータストレージ | Method for manufacturing light guide plate, method for manufacturing light guide plate module, and method for manufacturing image display device |
JP2021021879A (en) | 2019-07-30 | 2021-02-18 | セイコーエプソン株式会社 | Optical element and image display device |
CN113325501A (en) * | 2020-02-28 | 2021-08-31 | 苏州苏大维格科技集团股份有限公司 | Multidirectional diffraction expansion optical waveguide lens and augmented reality display device |
JP2022025901A (en) * | 2020-07-30 | 2022-02-10 | セイコーエプソン株式会社 | Virtual image display apparatus |
JPWO2022259757A1 (en) * | 2021-06-09 | 2022-12-15 | ||
WO2023047488A1 (en) * | 2021-09-22 | 2023-03-30 | Cellid株式会社 | Projection substrate and mirror-type terminal |
WO2023188720A1 (en) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical system and head-up display system equipped with same |
US20230350111A1 (en) * | 2022-04-28 | 2023-11-02 | Visera Technologies Company Ltd. | Optical system |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3623250B2 (en) * | 1993-06-23 | 2005-02-23 | オリンパス株式会社 | Video display device |
JPH09304725A (en) * | 1996-05-13 | 1997-11-28 | Olympus Optical Co Ltd | Video display device |
JP5119667B2 (en) * | 2004-03-29 | 2013-01-16 | ソニー株式会社 | Optical device and virtual image display device |
US7206107B2 (en) * | 2004-12-13 | 2007-04-17 | Nokia Corporation | Method and system for beam expansion in a display device |
US7573640B2 (en) * | 2005-04-04 | 2009-08-11 | Mirage Innovations Ltd. | Multi-plane optical apparatus |
US20090128911A1 (en) * | 2005-09-14 | 2009-05-21 | Moti Itzkovitch | Diffraction Grating With a Spatially Varying Duty-Cycle |
JP2007264555A (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-11 | Brother Ind Ltd | Transmission type diffraction element and eyeball projection type display device using the same |
WO2007141588A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Nokia Corporation | Split exit pupil expander |
CN101589326B (en) * | 2006-12-28 | 2011-06-29 | 诺基亚公司 | Device for expanding an exit pupil in two dimensions |
JP4450058B2 (en) * | 2007-11-29 | 2010-04-14 | ソニー株式会社 | Image display device |
JP5151518B2 (en) * | 2008-02-07 | 2013-02-27 | ソニー株式会社 | Optical device and image display device |
JP2010271565A (en) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Seiko Epson Corp | Head-mounted display device |
-
2013
- 2013-09-02 JP JP2013181104A patent/JP6171740B2/en active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11092806B2 (en) | 2018-12-18 | 2021-08-17 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method of displaying image and computer program thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2015049376A (en) | 2015-03-16 |
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