JP2016085426A - 光学素子、電気光学装置、装着型表示装置および光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、細いレーザービームをスキャンする方式では画像光が瞳径に比べ、かなり小さくなるため、上記光学素子では画像光を十分に拡大することが難しかった。そこで、レーザービームをスキャンする方式のように画像光が瞳径よりも十分に小さい場合であっても、画像光を瞳に入射させることができる新たな技術の提供が望まれていた。
また、半透過反射膜に到達した光の一部は透過して第2回折素子によって入射角と同じ角度で出射される。一方、半透過反射膜で反射された光は、第1導光体の第1光入射部に形成されている反射膜で反射されて再び半透過反射膜に到達する。よって、半透過反射膜および反射膜の反射を繰り返しながら第1導光体を伝播し、第2回折素子に到達した光が順次入射角と同じ角度で射出されるようになる。
したがって、例えば、第1光入射部にレーザービームのような細い光が入射する場合であっても、第1光射出部から拡大した状態で射出することで瞳に拡大された画像光を入射させることができる。
この構成によれば、半透過反射膜を第1光入射部の面および第1光射出部の面と平行に配置されるので、入射角に対応した導光体内の伝播角度が維持され、半透過反射膜および反射膜で繰り返し反射された光を第2回折素子に同じ角度で入射させて外部に取り出すことができる。
前記第2回折素子の複数の格子は、前記第1方向に沿って配列され、前記第2回折素子の前記第1方向に沿った大きさは、前記第1回折素子の前記第1方向に沿った大きさよりも大きい構成としてもよい。
この構成によれば、第1光入射部から入射した光を第1方向において拡大することができる。
第2態様に係る光学素子によれば、第1回折素子および該第1回折素子より大きい第2回折素子がそれぞれ2次元格子パターンを有するので、二次元方向において光を拡大させることができる。したがって、例えば、第1光入射部にレーザービームのような細い光が入射する場合であっても、第1光射出部から二次元方向に拡大した状態で射出することで瞳に拡大された画像光を入射させることができる。
この構成によれば、第1回折素子の中心光軸から離間するにつれて、半透過反射膜の透過率が漸次高くなる。よって、半透過反射膜で反射する際、できるだけ第1導光体を伝播する光として戻すことにより、第1回折素子の中心光軸から離間しても導光体中に多くの光を残すことができる。また、第1導光体に残っている光をより多く第2回折素子へ伝達させることができ、第1回折素子の中心光軸から離間しても出射される光強度の減少を抑制することができる。
この構成によれば、金属反射膜に比べて光の吸収を抑えることができるので、第1導光体内で繰り返し反射する際の光強度の減衰を抑えることができる。
この構成によれば、樹脂層が半透過反射膜および第2回折素子を分離するスペーサーとして機能する。よって、第2回折素子は、半透過反射膜を透過した光を回折させることで外部に良好に取り出すことができる。
この構成によれば、例えば、第2光入射部が入射光に対する角度依存性を有する場合であっても、回折光学素子を傾けて配置することで効率良く第2導光体内に光を導くことができる。
ここで、導光部材に導入された光は導光部材内で反射を繰返すが、入射角度に対応する導光部材内伝播角度を維持するには反射膜と半透過反射膜の平行度が十分高い必要がある。本製造方法によれば、例えば、両面の平行度を確保したガラス基板からなる導光部材を用意することで、反射膜および半透過反射膜の平行度を確保することができる。
また、回折素子面の下地として樹脂層が残るため、該樹脂層が半透過反射膜および第2回折素子を分離するスペーサーとして機能する。よって、第2回折素子は、半透過反射膜を透過した光を回折させることで外部に良好に取り出すことができる。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1は、本実施形態に係る電気光学装置の外観図である。本実施形態では、電気光学装置として、透過型のヘッドマウントディスプレイ(装着型表示装置1000)を示している。装着型表示装置1000は、本発明の一態様である光学素子を有している。以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display)を、HMDと略記する。
まず、画像光生成部121Aに制御部200からの画像信号が入力される。画像光生成部121Aは、MEMSミラー411Aにより光源410Aから射出したレーザー光Lを走査して光学素子122Aに時間順次で入射させることで画像光Gを形成する。
これにより、画像光生成部121Aは当該画像信号に応じた画像光Gを生成し、光学素子122Aに向けて射出する。このように、本実施形態においては、MEMSミラー41がレーザー光Lをスキャンすることで画像光Gが構成される。そのため、画像光Gは光学素子122Aに対して所定の振幅(振角)を持った状態で入射される。
ここで、光学素子122Aが光入力部30に対向する状態とは、光学素子122Aの第2回折部22の表面と光入力部30(回折素子30a)の表面が平行に配置されることのみならず、第2回折部22の表面と回折素子30aの表面とが傾斜して配置されることを含む。
図3(c)に示すように、導光板20は、第2面20bの全面に第2回折部22が設けられている。
格子パターン21a
また、図4では第1回折部21および第2回折部22によって発生する1次あるいは2次の回折光のみを図示している。さらに高次の回折光も生じる場合もあるが、図を見やすくするために省略している。
例えば、第1回折部21による0次回折光Lzは、第2回折部22で回折されることで、0次回折光Lzz、+1次回折光Lzp1、−1次回折光Lzm1などの回折光を生じさせる。
+1次回折光Lp1は第2回折部22で回折され、0次回折光Lp1z、+1次回折光Lp1p1、−1次回折光Lp1m1、−2次回折光Lp1m2などの回折光を生じさせる。
−1次回折光Lm1は第2回折部22で回折され、0次回折光Lm1z、+1次回折光Lm1p1、−1次回折光Lm1m1などの回折光を生じさせる。上述のように、第2回折部22および第1回折部21は回折力が同じであるため、第1回折部21への入射角がθ1である場合、第2回折部22を出射する+1次回折光Lm1p1の回折角もθ1となる。
第1回折部21による画像光Gの0次回折光Gzは、第2回折部22で回折される。このとき、第1回折部21への画像光Gの入射角がθである場合、第2回折部22から射出される画像光Gの0次回折光Gzzの回折角もθとなる。
続いて、本発明の第二実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態は、光学素子の製造方法に特徴を有するものである。なお、第一実施形態と同じ構造については同じ名称を付し、その詳細な説明については省略する。
図7に示すように、本実施形態の光学素子150は、透光性基板(導光体)51と、第1回折部54と、第2回折部55と、ハーフミラー53と、ミラー52と、第1ベース部54Aと、第2ベース部(樹脂層)55Aとを有している。
第1回折部54および第2回折部55は、例えば、表面レリーフ型回折格子から構成される。第1回折部54は、X方向に延びる直線状の格子パターン54aを有している。第2回折部55は、第1回折部54と同様にX方向に延びる直線状の格子パターン55aを有している。格子パターン54a、55aは、第一実施形態と同様、その格子周期が互いに同じである。
第2回折部55は、後述のようにインプリント法を用いることで第2ベース部55Aと一体に形成されている。すなわち、第2ベース部55Aは、第2面55bを有し、該第2面55bに第2回折部の格子パターン55aが形成されている。
第1回折部54は、後述のようにインプリント法を用いることで第1ベース部54Aと一体に形成されている。すなわち、第1ベース部54Aは、第1面54bを有し、該第1面54bに第1回折部の格子パターン54aが形成されている。
以上のようにして、本実施形態の光学素子150を製造することができる。
よって、透光性基板51に導入された光が該透光性基板51内で反射を繰り返す際、入射角に対応した基板内伝播角度が維持されるので、画像光を良好に拡大させて外部に射出させることができる。
続いて、本発明の第三実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態と第一実施形態との違いは、ハーフミラー23の光学特性であり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下ではハーフミラー23の光学特性を主体に説明する。
これは、図6に示したように、第1回折部21で回折されたレーザー光Lは、波長が短いほど回折角が小さくなるためである。
続いて、本発明の第三実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態と第一実施形態との違いは、光学素子の構造であり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下では光学素子の構造を主体に説明する。
第1回折部70は、図10(b)に示すように、XY方向に二次元的に延びる十字格子状の格子パターン71を有する。格子パターン71は、X方向に沿って延びる複数の第1パターン(第1格子パターン)71aと、Y方向に沿って延びる複数の第2パターン(第3格子パターン)71bと、を含む。第1パターン71aは、その格子周期(配列ピッチ)がPYである。第2パターン71bは、その格子周期(配列ピッチ)がPXである。なお、第1パターン71aおよび第2パターン71bにおける各格子周期PY、PXは、同じでもよいし、異なっていても良い。
なお、各格子パターンの深さは、使用する波長や必要な回折効率に応じて適宜決定される。
よって、本実施形態において、例えば、図2に示した導光ユニット130Aを用いる場合、導光ユニット130Aにより画像光Gを横方向(X方向)に拡大させる必要が無い。また、第一実施形態の導光ユニット130Aは、導光ユニット130Aに横方向(X方向)において画像拡大機能を得るために、光入力部30および光出力部32として回折素子30a、32aを用いていた。これに対し、本実施形態では、上述のように、導光ユニット130Aに画像拡大機能を持たせる必要が無いので、光入力部30および光出力部32として回折素子を用いる必要は無く、例えば、ミラーやプリズムを用いるようにしても良い。
例えば、本発明の電気光学装置は、上述のような透過型のヘッドマウントディスプレイに限らず、没入型のヘッドマウントディスプレイに適用してもよい。また、光学素子を用いる投射型のプロジェクターや、他の虚像ディスプレイにも使用可能である。また、本発明の電気光学装置を適用可能な電子機器としては、他にも、ヘッドアップディスプレイや、窓を模した枠内に風景映像を表示する疑似窓を例示することができる。
Claims (11)
- 第1光入射部および第1光射出部を備えた第1導光体と、
前記第1導光体の内部に設けられた半透過反射膜と、
前記第1光入射部の一部に設けられ、所定のピッチで配列された複数の格子を備える第1回折素子と、
前記第1光射出部の少なくとも一部に設けられ、所定のピッチで配列された複数の格子を備える第2回折素子と、
前記第1光入射部における前記第1回折素子の周囲に設けられた反射膜と、を備え、
前記第1回折素子の複数の格子のピッチは、前記第2回折素子の複数の格子のピッチと等しくなるように設けられ、
前記第1回折素子の複数の格子の各々の延在方向は、前記第2回折素子の複数の格子の各々の延在方向と同じ方向となるように設けられていることを特徴とする光学素子。 - 前記半透過反射膜は、前記第1光入射部の面および前記第1光射出部の面に平行となるように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。
- 前記第1回折素子の複数の格子は、第1方向に沿って配列され、
前記第2回折素子の複数の格子は、前記第1方向に沿って配列され、
前記第2回折素子の前記第1方向に沿った大きさは、前記第1回折素子の前記第1方向に沿った大きさよりも大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。 - 第1光入射部および第1光射出部を備えた第1導光体と、
前記第1導光体の内部に設けられた半透過反射膜と、
前記第1光入射部の一部に設けられ、第1方向と前記第1方向と交差した方向である第2方向とに沿うようにそれぞれ所定のピッチで配列された複数の格子を備える第1回折素子と、
前記第1光射出部の少なくとも一部に設けられ、前記第1方向と前記第2方向とに沿うようにそれぞれ所定のピッチで配列された複数の格子を備える第2回折素子と、
前記第1光入射部における前記第1回折素子の周囲に設けられた反射膜と、を備え、
前記第1回折素子の前記第1方向に沿った複数の格子のピッチは、前記第2回折素子の前記第1方向に沿った複数の格子のピッチと等しくなるように設けられ、
前記第1回折素子の前記第2方向に沿った複数の格子のピッチは、前記第2回折素子の前記第2方向に沿った複数の格子のピッチと等しくなるように設けられ、
前記第2回折素子の大きさは、前記第1回折素子の大きさよりも大きいことを特徴とする光学素子。 - 前記半透過反射膜は、前記第1回折素子の中心光軸から離間するにつれて、反射率が漸次低くなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記半透過反射膜は、誘電体多層膜から構成される
ことを特徴とする請求項5に記載の光学素子。 - 前記第2回折素子と前記半透過反射膜との間に配置される樹脂層をさらに備える
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光学素子。 - 画像光を射出する画像光生成部と、
一方面側に形成された、第2光入射部および第2光射出部を含み、前記第2光入射部から入力された光を導光して前記第2光射出部から出力させる第2導光体と、
前記第2光入射部に対向配置され、前記画像光生成部からの前記画像光が入射する、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光学素子と、を備えた画像投影部を含むことを特徴とする電気光学装置。 - 前記光学素子は、前記第1光射出部を前記第2光入射部の面に対して傾けた状態で配置されることを特徴とする請求項8に記載の電気光学装置。
- 請求項8又は9に記載の電気光学装置と装着部とを含むことを特徴とする装着型表示装置。
- 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法であって、
導光部材の一方の面に開口を有するように反射膜を形成する工程と、
前記反射膜の前記開口を覆うように配置した第1樹脂材料に第1型部材を押し付けることで前記第1回折素子を形成する工程と、
前記導光部材の他方の面に半透過反射膜を形成する工程と、
前記半透過反射膜の前記導光部材とは反対側の面に配置した第2樹脂材料に第2型部材を押し付けることで前記第2回折素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
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