JP2023070440A - Diffraction element, and optical system and head-up display system equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、像の表示に用いられる回折素子及びそれを備えた光学系、ヘッドアップディスプレイシステムに関する。 The present disclosure relates to a diffraction element used for image display, an optical system including the same, and a head-up display system.
従来、ヘッドアップディスプレイ装置を用いて、拡張現実（ＡＲ）表示を行う車両情報投影システムを開示している。ヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、車両のウインドシールドに虚像を表す光を投影することで、運転者に、車両の外界の実景とともに虚像を視認させている。 Conventionally, a vehicle information projection system that displays augmented reality (AR) using a head-up display device has been disclosed. A head-up display device, for example, projects light representing a virtual image onto the windshield of the vehicle, thereby allowing the driver to visually recognize the virtual image together with the actual scenery outside the vehicle.
特許文献１には、虚像を表示させるディスプレイシステムが記載され、回折素子を利用して、導波管（導光体）内部から出射する光束を回折して光束の進行方向を変更することが記載されている。
しかしながら、外部から入射する光束の進行方向を変えるために回折素子を用いる場合、回折する機会が１回しかないので、導光体内に導く光量を増やすために回折効率を向上させる必要がある。 However, when a diffraction element is used to change the traveling direction of a light beam incident from the outside, there is only one opportunity for diffraction, so it is necessary to improve the diffraction efficiency in order to increase the amount of light guided into the light guide.
本開示は、回折効率を向上した回折素子、及びそれを用いた光学系、ヘッドアップディスプレイシステムを提供する。 The present disclosure provides a diffraction element with improved diffraction efficiency, an optical system using the same, and a head-up display system.
本開示の回折素子は、入射する光束を回折する回折層と、回折層を支持する基板と、を備える。回折層は、回折格子を有する回折格子層と、回折格子層と基板との間に配置された中間層と、を備える。回折格子層の屈折率と中間層の屈折率とが等しく、光束が回折層に入射する入射角に対する回折層の回折効率の関係において、１つ以上の極大値が存在する。１つ以上の極大値の最大値に最も近い第１の変曲点と極大値の最大値から第１の変曲点への方向の延長上に存在する第１の変曲点の次の第２の変曲点が存在し、第１の変曲点と第２の変曲点との間の最小値が極大値の最大値の半分の値よりも大きい。中間層の膜厚は、中間層に入射した光束に干渉を生じさせる厚みである。 A diffractive element of the present disclosure includes a diffractive layer that diffracts an incident light beam, and a substrate that supports the diffractive layer. The diffraction layer comprises a diffraction grating layer having a diffraction grating and an intermediate layer arranged between the diffraction grating layer and the substrate. The refractive index of the diffraction grating layer and the intermediate layer are equal, and one or more maxima exist in the relationship of the diffraction efficiency of the diffraction layer to the incident angle at which the light beam enters the diffraction layer. A first inflection point closest to the maximum of one or more local maxima and the first inflection point on the extension of the direction from the maximum of the local maxima to the first inflection point There are two inflection points and the minimum value between the first and second inflection point is greater than half the maximum value of the local maxima. The film thickness of the intermediate layer is the thickness that causes interference in the light flux incident on the intermediate layer.
また、本開示の光学系は、上述した回折素子が配置された結合領域を有する導光体と、像として観察者に視認される光束を出射する表示部と、を備える。導光体は、光束を複製し、導光体は、表示部からの光束が入射する入射面と、導光体から光束が出射する出射面と、を有する。導光体の入射面に入射した光束は、導光体内の結合領域の回折素子による回折によって進行方向が変更される。進行方向が変更された光束は、導光体内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者の視認する像の水平方向に対応した第１の方向、または像の垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に出射面から出射される。 Further, the optical system of the present disclosure includes a light guide having a coupling region in which the above-described diffraction element is arranged, and a display section that emits a light beam that is visually recognized as an image by an observer. The light guide replicates the luminous flux, and the light guide has an incident surface on which the luminous flux from the display portion is incident and an exit surface from which the luminous flux is emitted from the light guide. A luminous flux incident on the incident surface of the light guide has its traveling direction changed by diffraction by the diffraction element of the coupling region in the light guide. The luminous flux whose traveling direction has been changed is diffracted by the diffractive structure of the extended region in the light guide in a first direction corresponding to the horizontal direction of the image viewed by the observer or in a second direction corresponding to the vertical direction of the image. , or after being expanded by being duplicated in both directions, is emitted from the exit surface.
また、本開示のヘッドアップディスプレイシステムは、上述した光学系と、導光体から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、透光部材を介して視認可能な実景に虚像として像を重ねて表示する。 Further, the head-up display system of the present disclosure includes the optical system described above and a translucent member that reflects the light flux emitted from the light guide, and displays an image as a virtual image in a real scene that is visible through the translucent member. Overlap display.
本開示の回折素子、光学系及びヘッドアップディスプレイシステムによれば、回折効率を向上することができる。 According to the diffraction element, optical system, and head-up display system of the present disclosure, diffraction efficiency can be improved.
（本開示の概要）
図１を参照して、本開示の概要をまず説明する。図１は、導光体１３の構成を示す概略図である。ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称する）などに用いられる光学系で、いわゆる瞳拡張型の導光体１３が用いられる。瞳拡張型の導光体１３は、表示部１１からの画像光を入射して進行方向を変更する結合領域２１と、第１の方向に拡張する第１拡張領域２３と、第２の方向に拡張する第２拡張領域２５とを備える。第１の方向と第２の方向とは互いに交差し、例えば、直交してもよい。
(Summary of this disclosure)
An overview of the present disclosure is first described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the
結合領域２１、第１拡張領域２３及び第２拡張領域２５は、それぞれ、画像光を回折する回折パワーを有し、エンボス型ホログラム、または、体積型ホログラムが形成されている。エンボス型ホログラムは、例えば、回折格子である。体積型ホログラムは、例えば、誘電体膜内の周期的な屈折率分布である。結合領域２１は、外部から入射した画像光の進行方向を、回折パワーにより第１拡張領域２３へ向かうように変更する。
The
第１拡張領域２３は、例えば、回折構造素子が配置されており、入射した画像光を、回折パワーにより第１の方向に進行する画像光と第２拡張領域２５へ進行する画像光とに分割することで画像光を複製する。例えば、図１では、第１拡張領域２３において、画像光が全反射を繰り返して進行する方向に並んだ４個のポイント２３ｐに回折構造素子が配置されている。それぞれのポイント２３ｐで回折構造素子が画像光を分割し、分割した画像光を第２拡張領域２５へ進行させている。これにより、入射した画像光の光束が、第１の方向に４つの画像光の光束に複製されることで拡張される。
The
第２拡張領域２５は、例えば、回折構造素子が配置されており、入射した画像光を、回折パワーにより第２の方向に進行する画像光と第２拡張領域２５から外部へ出射する画像光とに分割することで画像光を複製する。例えば、図１では、第２拡張領域２５において画像光が全反射を繰り返して進行する方向に並んだポイント２５ｐが１列につき３つ配置され、４列で合計１２個のポイント２５ｐにそれぞれ回折構造素子が配置されている。それぞれのポイント２５ｐで画像光を分割し、分割した画像光を外部へ出射させている。これにより、４列で入射した画像光の光束がそれぞれ、第２の方向に３つの画像光の光束に複製されることで拡張される。このようにして、導光体１３は、入射した１つの画像光の光束から、１２個の画像光の光束を複製することができ、第１の方向及び第２の方向にそれぞれ光束を複製して視野領域を拡張することができる。観察者はこの１２個の画像光の光束からそれぞれの画像光の光束を虚像として視認することができ、観察者が画像光を視認可能な視認領域を広くすることができる。
The
次に、図２及び図３を参照して瞳拡張型のＨＭＤとヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと称する）の違いについて説明する。図２は、ＨＭＤの入射光と出射光を示す説明図である。図３は、ＨＵＤの入射光と出射光を示す説明図である。 Next, the difference between an expanded-pupil HMD and a head-up display (hereinafter referred to as HUD) will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram showing incident light and outgoing light of the HMD. FIG. 3 is an explanatory diagram showing incident light and outgoing light of the HUD.
図２に示す様に、ＨＭＤにおける導光体１３は、観察者が虚像を視認可能な視認領域Ａｃに対してほぼ正対している。表示部１１から垂直に入射した画像光は導光体１３内で分割され、分割された画像光が導光体１３の出射面２７から垂直に視認領域Ａｃに向けて出射する。
As shown in FIG. 2, the
これに対して、図３に示す様に、ＨＵＤの場合、導光体１３から出射した画像光を例えば、ウインドシールド５に反射させて視認領域Ａｃに入射させるので、分割された映像光を導光体１３の出射面２７から斜め方向に出射させる。以下、ＨＵＤ用の光学系について説明する。
On the other hand, as shown in FIG. 3, in the case of the HUD, the image light emitted from the
（実施の形態１）
以下、図４～図６を参照して、実施の形態１を説明する。なお、上述した構成要素と共通の機能を有する構成要素に対して同じ符号を付している。また、図中におけるウインドシールドの傾斜角度は、それぞれ理解しやすいように示しているので、図によって異なる場合がある。
(Embodiment 1)
[１－１．構成]
[１－１－１．光学系及びヘッドアップディスプレイシステムの全体構成]
本開示のヘッドアップディスプレイシステム１（以下、ＨＵＤシステム１と称する）の具体的な実施の形態を説明する。図４は、本開示に係るＨＵＤシステム１を搭載した車両３の断面を示す図である。図５は、表示部から出射される光束の光路を示す説明図である。実施の形態において、車両３に搭載されたＨＵＤシステム１を例として説明する。
[1-1. composition]
[1-1-1. Overall configuration of optical system and head-up display system]
A specific embodiment of a head-up display system 1 (hereinafter referred to as HUD system 1) of the present disclosure will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view of a
以下において、図４に示す、Ｘ１軸、Ｙ１軸、及びＺ１軸に基づいてＨＵＤシステム１に関する方向を説明する。Ｚ１軸方向は、観察者が虚像Ｉｖを視認可能な視認領域Ａｃから観察者が虚像Ｉｖを視認する方向である。Ｘ１軸方向は、Ｚ１軸と直交した水平方向である。Ｙ１軸方向は、Ｘ１軸及びＺ１軸で形成されるＸ１Ｚ１面と直交する方向である。したがって、Ｘ１軸方向は車両３の水平方向に対応し、Ｙ１軸方向は車両３の略鉛直方向に対応し、Ｚ１軸方向は車両３の略前進方向に対応する。
In the following, directions for the
図４に示すように、車両３のウインドシールド５の下方のダッシュボード（図示省略）の内部に、光学系２が配置されている。車両３の運転席に座った観察者Ｄは、ＨＵＤシステム１から投射される画像を虚像Ｉｖとして認識する。このようにして、ＨＵＤシステム１は、ウインドシールド５を介して視認可能な実景に虚像Ｉｖを重ねて表示する。複製された複数の画像が視認領域Ａｃに投射されるので、視認領域Ａｃの中であれば、観察者Ｄの眼の位置がＹ軸方向及びＸ軸方向にずれても虚像Ｉｖを視認することができる。なお、観察者Ｄは、車両３のように移動体内に搭乗する搭乗者であり、例えば、運転者または助手席に座る搭乗者である。
As shown in FIG. 4 , the
図４を参照する。ＨＵＤシステム１は、光学系２とウインドシールド５を備える。光学系２は、表示部１１、導光体１３、及び、制御部１５を備える。表示部１１は、虚像Ｉｖとして観察者に視認される画像を形成する光束Ｌ１を出射する。導光体１３は、表示部１１から出射された光束Ｌ１を分割複製し、複製した光束Ｌ４をウインドシールド５へ導く。ウインドシールド５で反射した光束Ｌ４は虚像Ｉｖとして、ウインドシールド５を介して視認可能な実景に重ねて表示される。
Please refer to FIG. A
表示部１１は、外部の制御部による制御に基づき、画像を表示する。表示部１１として、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（Liquid Crystal Display）や有機発光ダイオード（Organic Light-Emitting Diode）ディスプレイ、プラズマディスプレイなどを用いることができる。また、表示部１１として、光を拡散または反射するスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。表示部１１は、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を含む画像コンテンツを表示することができる。このように、表示部１１は虚像Ｉｖとして観察者Ｄに視認される画像コンテンツを含む光束Ｌ１を出射する。
The
制御部１５は、半導体素子などで実現可能である。制御部１５は、例えば、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、またはＡＳＩＣで構成することができる。制御部１５は、内蔵する記憶装置１７に格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、予め定められた機能を実現する。記憶装置１７は、制御部１５の機能を実現するために必要なプログラム及びデータを記憶する記憶媒体である。記憶装置１７は、例えば、ハードディスク（ＨＤＤ）、ＳＳＤ、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリ、磁気ディスク、またはこれらの組み合わせによって実現できる。記憶装置１７には、さらに、虚像Ｉｖを表す複数の画像データが格納されている。制御部１５は、外部から取得する車両関連情報に基づいて、表示する虚像Ｉｖを決定する。制御部１５は、決定した虚像Ｉｖの画像データを記憶部から読み出して、表示部１１に出力する。
The
[１－１－２．導光体]
図６を参照して、導光体１３の構成を説明する。図６は導光体１３の構成を示す透視斜視図である。以下において図６に示す、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に基づいて導光体１３の拡張領域に関する方向を説明する。第１拡張領域２３の中心または重心における導光体１３の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とする。ＸＹ平面において、結合領域から第１拡張領域に入射する光束の中心の光線の進行方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直の方向をＹ軸方向とする。
[1-1-2. light guide]
The configuration of the
導光体１３は、表面である第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂと、を有する。第１主面１３ａと第２主面１３ｂとは対向する。導光体１３は、入射面２０、結合領域２１、第１拡張領域２３、第２拡張領域２５、及び出射面２７を有する。入射面２０、結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は第２主面１３ｂに含まれ、出射面２７は第１主面１３ａに含まれる。出射面２７は、第２拡張領域２５と対向する。なお、結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は第１主面１３ａと第２主面１３ｂの間に存在してもよい。第１主面１３ａは、ウインドシールド５と対向する。本実施の形態では、入射面２０は結合領域２１に含まれるが、結合領域２１と対向する面であって第１主面１３ａに含まれてもよい。また、出射面２７は第２拡張領域２５に含まれてもよい。
The
結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は、それぞれ異なる回折パワーを有し、それぞれ、回折構造素子が形成されている。結合領域２１、第１拡張領域２３及び第２拡張領域２５は、それぞれ、画像光の回折角度が異なる。また、導光体１３は、入射した光束が内部で全反射する構成である。このように、導光体１３は、一部に光を回折する、例えば、体積型ホログラムなどの回折構造素子を含む。結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は、体積型ホログラムを含む場合、立体領域となる。
The
結合領域２１は、表示部１１を出射した光束Ｌ１を入射面２０から入射し、光束Ｌ１の進行方向を変更する領域である。結合領域２１は回折パワーを有し、入射した光束Ｌ１の伝播する方向を第１拡張領域２３の方向へ変更し、光束Ｌ２として出射する。本実施の形態において、結合とは、全反射条件で導光体１３内を伝播する状態である。
The
第１拡張領域２３は、虚像Ｉｖの水平方向に対応した第１の方向に光束Ｌ２を拡張して第１の方向（Ｘ軸方向）と交差する第２の方向（－Ｙ軸方向）にある第２拡張領域に出射する。第１の方向に光束Ｌ２を拡張する第１拡張領域２３において、第１の方向の長さは第２の方向の長さよりも大きい。なお、実施の形態において、導光体１３は、第１の方向が水平方向（Ｘ１軸の方向）となるように配置されているがこれに限らず、第１の方向が水平方向と完全に一致しなくてもよい。結合領域２１から伝播した光束Ｌ２は、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂで全反射を繰り返しながら第１の方向に伝播しつつ、第２主面１３ｂに形成された第１拡張領域２３の回折構造により光束Ｌ２を複製して第２拡張領域２５に出射する。
The
第２拡張領域２５は、虚像Ｉｖの垂直方向に対応した第２の方向に光束Ｌ３を拡張して出射面２７から拡張された光束Ｌ４を出射する。第２の方向は、例えば、第１の方向と垂直である。なお、導光体１３は、第２の方向がＺ１軸方向に配置されている。第１拡張領域２３から伝播した光束Ｌ３は、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂで全反射を繰り返しながら、第２の方向に伝播しつつ、第２主面１３ｂに形成された第２拡張領域２５の回折構造により光束Ｌ３を複製して出射面２７を介して導光体１３の外部へ出射する。
The
したがって、観察者Ｄの視点からすると、導光体１３は、入射面２０に入射して進行方向が変更された光束Ｌ１を、観察者Ｄの視認する虚像Ｉｖの水平方向（Ｘ１軸の方向）に拡張した後に、さらに、虚像Ｉｖの垂直方向（Ｙ１軸の方向）に拡張して出射面２７から光束Ｌ４を出射する。ここで、像の水平方向に複製とは、完全な水平方向だけに複製することに限らず、略水平方向に複製することも含まれる。また、像の垂直方向に複製とは、完全な垂直方向だけに複製することに限らず、略垂直方向に複製することも含まれる。
Therefore, from the viewpoint of the observer D, the
[１－１－３．瞳拡張の順番]
上述した配置の導光体１３において、ＨＵＤシステム１では、画像光の光束Ｌ１の瞳拡張の順番によって、第１拡張領域２３と第２拡張領域２５の波数ベクトルの大きさが異なる。実施の形態の瞳拡張の順番について図７を参照して説明する。図７は、表示部から出射される光束の中心の光路を示す説明図である。
[1-1-3. order of pupil dilation]
In the
導光体１３に入射した画像光の光束Ｌ１は、結合領域２１に形成された回折構造により、第１の方向として水平方向（Ｘ軸方向）に瞳拡張する第１拡張領域２３へ伝播方向を変更する。したがって、光束Ｌ１は、結合領域２１に斜めに入射した後、図７に示す波数ベクトルｋ１の作用を受けて光束Ｌ２として第１拡張領域２３の方向へ伝播する。
The luminous flux L1 of the image light incident on the
第１の方向に延びる第１拡張領域２３へ伝播する光束Ｌ２は、全反射を繰り返しながら第１拡張領域２３に形成された回折構造により、第１の方向へ伝播する光束Ｌ２と、複製されて第２拡張領域２５へ伝播方向を変更する光束Ｌ３とに分割される。このとき、複製された光束Ｌ３は、図７に示す波数ベクトルｋ２の作用を受けて第２拡張領域２５の方向へ伝播する。
The light flux L2 propagating to the
第２の方向としてＺ１軸の負の方向に沿って延びる第２拡張領域２５へ伝播方向を変更された光束Ｌ３は、第２拡張領域２５に形成された回折構造により、第２の方向へ伝播する光束Ｌ３と、複製されて第２拡張領域２５から出射面２７を介して導光体１３の外部へ出射する光束Ｌ４とに分割される。このとき、複製された光束Ｌ４は、図７に示す波数ベクトルｋ３の作用を受けて出射面２７の方向へ伝播する。
The light flux L3 whose propagation direction is changed to the
[１－１－４．回折素子]
次に、図８及び図９を参照して、結合領域２１の回折構造について説明する。図８は、結合領域２１に配置された回折素子３１の縦断面図である。図９は、回折素子３１に入射した光束の光路を示す回折素子３１の縦断面図である。
[1-1-4. diffraction element]
Next, the diffraction structure of the
結合領域２１には、入射する画像光を回折する回折素子３１が配置されている。回折素子３１は、入射する画像光の光束Ｌ１を回折する回折層３３と、回折層３３を支持する基板３５とを備える。
A
回折層３３は、回折格子３７を有する回折格子層３９と、回折格子層３９と基板３５との間に配置された中間層４１と、を備える。回折層３３は、例えば、透明な樹脂層であり、回折格子３７はナノインプリントにより形成される。回折層３３は、例えば、ＵＶナノインプリント用の樹脂である東洋合成工業製のＰＡＫ０２を用いて形成されるが、これに限られず、他の樹脂材料を用いてもよい。また、ナノインプリント以外にも、例えば、ガラス基板の基板３５上にＳｉＯ２を積層してドライエッチングにより回折格子３７を形成してもよい。ナノインプリントによれば、中間層４１は残差層となるので回折層３３と中間層４１とを一体形成することができ、回折層３３を容易に形成することができる。
The
回折格子３７は、ピッチＰで周期的に形成されている。回折格子３７は、中間層４１からの高さｈと、幅Ｗと、幅Ｗ／ピッチＰで定義されるデューティ比Ｄｒと、スラント角θと、で決められる構造的特徴を有する。回折格子３７のスラント角θは、中間層４１に垂直な線に対する傾斜角度である。回折格子３７は、例えば、幅Ｗの方向よりも長い、図８の紙面奥側に延びる長さを有し、スラント角θで傾斜した平行６面体の構造を有する。回折格子３７の屈折率ｎ１は、例えば、１．３以上１．７以下である。また、中間層４１も、回折格子３７と同じ屈折率ｎ１を有する。
The
基板３５は、回折層３３よりも屈折率が高い材料で形成されている。基板３５は、例えばガラス基板、または、樹脂基板であり、基板３５の屈折率ｎ２は、例えば、１．７以上である。なお、回折格子３７及び中間層４１の屈折率ｎ１が１．７の場合、基板３５の屈折率ｎ２は、１．７よりも大きい。
The
回折素子３１は、画像光の光束Ｌ１が回折格子層３９に入射するように配置されている。実施の形態において、回折格子層３９により回折作用を受けて進行方向が変えられた光束Ｌ２ａから、中間層４１及び基板３５をそのまま透過する光束Ｌ２ｂと、中間層４１と基板３５との境界４１ａで反射し、さらに、回折格子３７間の底部３９ａで反射して、中間層４１及び基板３５をそのまま透過する光束Ｌ２ｃとが発生する。光束Ｌ２ｂと光束Ｌ２ｃは合わさって光束Ｌ２として第１拡張領域２３へ伝播する。中間層４１の膜厚ｄが、光束Ｌ２ｂと光束Ｌ２ｃとが干渉を生じさせる厚みの場合、光束Ｌ２ｂと光束Ｌ２ｃが強め合う干渉を引き起こし、光量の強い光束Ｌ２を出射することができる。この結果、回折素子３１の回折効率を向上させることができる。
The
このような構造の回折素子３１の光の回折効率が図１０に示される。図１０は、回折素子層３３に入射する光束の入射角及び中間層４１の膜厚に対する回折効率を示す図である。図１０において白色の領域は回折効率が高い条件であり、黒色の領域は回折効率が低い条件である。図１０に示すように、入射角０度を基準に入射角によって回折効率が対称になっていない。図１０に示す回折効率となる回折素子３１の条件は、ピッチＰが４５０ｎｍ、デューティ比Ｄｒが０．５、高さｈが３００ｎｍ、スラント角θが４５度、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、基板３５の屈折率ｎ２が２．００、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍである。
FIG. 10 shows the light diffraction efficiency of the
このように、回折効率が入射角０度に対して対称にならない理由を、図１１を参照して説明する。なお、図１１に示す回折格子３７は、説明を簡易にするためにスラント角θが０度であり傾斜を有していない。
The reason why the diffraction efficiency is not symmetrical with respect to the incident angle of 0 degrees will be described with reference to FIG. The
回折層３３に入射した光束Ｌ１は、回折層３３を直進する０次光の他に、回折素子３１によって回折作用を受けた回折光に分割される。回折光の中でも、±１次回折光は、強度が最も強く光束の進行方向が変えられている。本実施の形態において、例えば、片側方向に伝播する＋１次回折光を第１拡張領域２３へ伝播する光束Ｌ２として利用する。
The light beam L1 incident on the
回折層３３に入射する光は、例えば、液晶表示装置としての表示部１１から出射される光であるので、垂直に（入射角０度で）入射する光の他に、プラス方向及びマイナス方向に入射角を有している光も含まれる。したがって、＋１次回折光だけを見ると入射角によって伝播角が異なり、入射角０度を基準とした場合、入射角によって回折効率が対称にならない。
The light incident on the
さらに、図１０に示すように、入射角がプラス方向に大きくなるにつれて中間層４１の膜厚が長い領域において回折効率が大きい。このことを、図１２を参照して説明する。図１２において、説明を簡易にするために、中間層４１を単純な薄膜における干渉条件として説明する。
Furthermore, as shown in FIG. 10, as the incident angle increases in the positive direction, the diffraction efficiency increases in the region where the film thickness of the
干渉により基板３５に抜ける光が強まる条件は、中間層４１の膜厚ｄ、中間層４１の屈折率ｎ１、入射する光の波長λ、整数ｍとの関係は以下の（１）式となる。整数ｍが同じ値のときに伝播角θ１が大きいほど必要な膜厚ｄは大きくなる。
２・ｄ・ｎ１・ｃｏｓθ１＝（ｍ＋１／２）・λ ・・・（１）式
The condition for intensifying the light passing through the
2*d*n1*cos θ1=(m+1/2)*λ (1) formula
図１２より、中間層４１内の伝播角θ１は、入射角がマイナスの角度のときは小さく、プラスの角度のときは大きい。これにより、図１０に示すように光束Ｌ１の入射角がプラスになるほど、回折効率の大きい中間層４１の膜厚は大きくなる。回折効率の高い領域が右斜め上方に延びている。
From FIG. 12, the propagation angle θ1 in the
次に、回折層３３の回折格子層３９と中間層４１とがそれぞれ入射する光束Ｌ１への作用を概略的に説明する。まず、図８及び図１３を参照して、回折格子層３９の回折格子３７の作用について説明する。図１３は、３種類のデューティ比に対する入射角に対する回折効率の関係を示すグラフであり、回折格子層３９による１次回折光の回折効率を示している。
Next, the effects of the
図１３に示すそれぞれのグラフＧｒ１、Ｇｒ２、Ｇｒ３は、ピッチＰが４５０ｎｍ、高さｈが３００ｎｍ、スラント角θが４５度、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍである。さらに、グラフＧｒ１はデューティ比Ｄｒが０．３、グラフＧｒ２はデューティ比Ｄｒが０．５、グラフＧｒ３はデューティ比Ｄｒが０．７である。図１３に示すように、回折格子層３９による１次回折光の回折効率の極大値（ピーク）はそれぞれのグラフで１つだけであり、上述した条件の場合、デューティ比Ｄｒが大きくなるにつれて回折効率の極大値の入射角がプラス方向へと遷移する。
Graphs Gr1, Gr2, and Gr3 shown in FIG. 13 have a pitch P of 450 nm, a height h of 300 nm, a slant angle θ of 45 degrees, a refractive index n1 of the
このように、回折格子層３９の回折格子３７による回折作用だけでは、各グラフＧｒ１～Ｇｒ３の極大値付近の入射角に対する回折効率は高いが、極大値から離れるにつれて回折効率も低下するので、入射角の広い範囲にわたって回折効率を向上させることができない。
Thus, with only the diffraction action of the
次に、図１２及び図１４を参照して、中間層４１の作用について説明する。図１４は、中間層４１内を伝播する光束の伝播角を示す概要図である。
Next, the action of the
図１４に示す中間層４１内の光束Ｌ２ａの伝播角θ１、中間層４１の屈折率ｎ１、回折格子３７のピッチＰ、光束Ｌ１の回折格子３７への入射角θ２、入射する光束の波長λ、整数ｋとのそれぞれの関係は、以下の（２）式の関係を有する。
ｎ１・Ｐ・ｓｉｎθ１－Ｐ・ｓｉｎθ２＝ｋ・λ ・・・（２）式
Propagation angle θ1 of light flux L2a in
n1·P·sin θ1−P·sin θ2=k·λ (2) formula
（１）式及び（２）式より、１次の回折光が干渉を強め合う中間層４１の膜厚ｄの入射角依存性を、図１５に示す。図１５に示すそれぞれのグラフＧｒ４、Ｇｒ５、Ｇｒ６は、ピッチＰが４５０ｎｍ、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍである。グラフＧｒ４は整数ｍ＝０の場合であり、グラフＧｒ５は整数ｍ＝１の場合であり、グラフＧｒ６は整数ｍ＝２の場合である。図１５に示すように、入射角がプラスの方向に大きくなるにつれて、回折効率を高くするには膜厚ｄを大きくする必要がある。
FIG. 15 shows the incident angle dependence of the film thickness d of the
このように、中間層４１の膜厚ｄが、図９に示すように光束Ｌ２ａと光束Ｌ２ｃとで干渉を生じさせる厚みである場合、入射した光束Ｌ１に対して回折格子３７による回折作用に、さらに中間層４１の干渉作用が加わる。デューティ比Ｄｒが大きくなるほど、回折格子３７の形状による回折効率の極大値に対する光束の入射角が大きくなる。これにしたがって、中間層４１の膜厚ｄによる干渉により回折効率が高くなっている領域が高角度側に推移する。この結果、図１０に示すように、広い範囲の入射角にわたって回折効率が高い中間層４１の膜厚が大きくなっていることが理解できる。広い範囲の入射角にわたって回折効率が高い中間層４１の膜厚の範囲Ａｔが存在する。
As described above, when the film thickness d of the
中間層４１の膜厚の範囲Ａｔにおいて、入射角範囲が、右斜め上方に延びる回折効率の高い２つの領域を跨ぐので、広い入射角範囲において回折効率の高い範囲が広くなる。この範囲Ａｔにおける回折効率のグラフの一例を図１６に示す。
In the film thickness range At of the
図１６が示すグラフＧｒ７は、ピッチＰが４５０ｎｍ、高さｈが３００ｎｍ、スラント角θが３０度、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、基板の屈折率ｎ２が２．００、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍの条件における、回折効率の入射角依存性を示している。
Graph Gr7 shown in FIG. 16 has a pitch P of 450 nm, a height h of 300 nm, a slant angle θ of 30 degrees, a refractive index n1 of the
グラフＧｒ７は、１つの極大値（ピーク）Ｐ１を有し、さらに、極大値Ｐ１に最も近い第１の変曲点ｉｐ１と極大値Ｐ１から第１の変曲点ｉｐ１への方向の延長上に存在する第１の変曲点ｉｐ１の次の第２の変曲点ｉｐ２を有する。また、グラフＧｒ７は、他にも、極大値Ｐ１から第１の変曲点ｉｐ１への方向と逆の方向の延長上に存在する第３の変曲点ｉｐ３と、極大値Ｐ１から第１の変曲点ｉｐ１への方向の延長上に存在する第２の変曲点ｉｐ２の次の第４の変曲点ｉｐ４とを有する。 Graph Gr7 has one local maximum (peak) P1, a first inflection point ip1 closest to the local maximum P1, and a line extending from the local maximum P1 to the first inflection point ip1. It has a second inflection point ip2 next to the existing first inflection point ip1. In addition, the graph Gr7 also includes a third inflection point ip3 existing on the extension in the direction opposite to the direction from the maximum value P1 to the first inflection point ip1, and and a fourth point of inflection ip4 next to the second point of inflection ip2 existing on the extension of the direction toward the point of inflection ip1.
また、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。グラフＧｒ７において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１は第２の変曲点ｉｐ２の値であり、第２の変曲点ｉｐ２の値は極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。したがって、グラフＧｒ７は、入射角が約－６度から約７度の範囲Ｒ１において、回折効率が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい範囲となり、入射角の広い範囲にわたって回折効率を向上させることができる。 Also, the minimum value mv1 between the first inflection point ip1 and the second inflection point ip2 is larger than the half value VH1 of the maximum value P1. In the graph Gr7, the minimum value mv1 between the first inflection point ip1 and the second inflection point ip2 is the value of the second inflection point ip2, and the value of the second inflection point ip2 is the maximum value P1 is greater than half the value VH1. Therefore, the graph Gr7 is a range where the diffraction efficiency is larger than the half value VH1 of the maximum value P1 in the range R1 where the incident angle is from about −6 degrees to about 7 degrees, and the diffraction efficiency is improved over a wide range of the incident angle. be able to.
次に、図１３及び図１７を参照して、２つの変曲点の間の最小値が極大値の半分の値より大きくなる中間層の膜厚と、各条件との関係を示す。図１７は、３種類のデューティ比Ｄｒに対する、回折効率の高い範囲に対応する中間層の膜厚を示すグラフである。図１３及び図１７のグラフＧｒ１～Ｇｒ３、Ｇｒ８～１０において、ピッチＰが４５０ｎｍ、高さｈが３００ｎｍ、スラント角θが４５度、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、基板の屈折率ｎ２が２．００、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍの条件におけるグラフである。グラフＧｒ１、Ｇｒ８はデューティ比Ｄｒが０．３であり、グラフＧｒ２、Ｇｒ９はデューティ比Ｄｒが０．５であり、グラフＧｒ３、Ｇｒ１０はデューティ比Ｄｒが０．７である。図１７において、縦軸は、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値の半値以上の大きさであれば０以外の値、半値よりも小さければ０としている。したがって、各グラフが０よりも大きい値の中間層４１の膜厚ｄの範囲が、入射角の広い範囲での回折効率が高いことを示している。なお、後で示す図１９及び図２１についても同様である。
Next, with reference to FIGS. 13 and 17, the relationship between each condition and the film thickness of the intermediate layer at which the minimum value between the two inflection points is larger than half the maximum value will be shown. FIG. 17 is a graph showing the film thickness of the intermediate layer corresponding to the range of high diffraction efficiency with respect to three types of duty ratios Dr. In the graphs Gr1 to Gr3 and Gr8 to 10 of FIGS. 13 and 17, the pitch P is 450 nm, the height h is 300 nm, the slant angle θ is 45 degrees, the refractive index n1 of the
図１３に示すように、デューティ比Ｄｒが大きくなるにしたがって、回折格子３７の回折効率の極大値の位置がプラスの高角度へ移る。これにしたがって、図１７に示すように、回折効率の高い範囲の中間層４１の膜厚ｄも大きくなる。例えば、グラフＧｒ８の場合、中間層４１の膜厚ｄが１８０ｎｍから２００ｎｍの範囲と、４００ｎｍから４６０ｎｍの範囲と、６２０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。グラフＧｒ９の場合、中間層４１の膜厚ｄが１６０ｎｍから２６０ｎｍの範囲と、３８０ｎｍから５６０ｎｍの範囲において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。グラフＧｒ１０の場合、中間層４１の膜厚ｄが２００ｎｍから２６０ｎｍの範囲と、４８０ｎｍから６００ｎｍの範囲において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。
As shown in FIG. 13, as the duty ratio Dr increases, the position of the maximum value of the diffraction efficiency of the
次に、図１８及び図１９を参照する。図１８は、３種類の回折格子３７の高さｈに対する入射角回折効率の入射角依存性を示すグラフである。図１９は、３種類の回折格子３７の高さｈに対する、回折効率の高い範囲に対応する中間層の膜厚を示すグラフである。図１８及び図１９のグラフＧｒ２、Ｇｒ９、Ｇｒ１３～Ｇｒ１６において、ピッチＰが４５０ｎｍ、デューティ比Ｄｒが０．５、スラント角θが４５度、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、基板の屈折率ｎ２が２．００、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍの条件におけるグラフである。グラフＧｒ１３、Ｇｒ１５は高さｈが２００ｎｍであり、グラフＧｒ２、Ｇｒ９は高さｈが３００ｎｍであり、グラフＧｒ１４、Ｇｒ１６は高さｈが４００ｎｍである。
Reference is now made to FIGS. 18 and 19. FIG. FIG. 18 is a graph showing the incident angle dependence of the incident angle diffraction efficiency with respect to the height h of three types of
図１８に示すように、高さｈが大きくなるにしたがって、回折格子３７の回折効率の極大値の位置がプラスの高角度へ移る。これにしたがって、図１９に示すように、回折効率の高い範囲の中間層４１の膜厚ｄも大きくなる。例えば、グラフＧｒ１５の場合、中間層４１の膜厚ｄが１４０ｎｍから２２０ｎｍの範囲と、４００ｎｍから４８０ｎｍの範囲と、６２０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。グラフＧｒ１６の場合、中間層４１の膜厚ｄが２００ｎｍから３００ｎｍの範囲と、４２０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。
As shown in FIG. 18, as the height h increases, the position of the maximum value of the diffraction efficiency of the
次に、図２０及び図２１を参照する。図２０は、３種類のスラント角θに対する入射角回折効率の入射角依存性を示すグラフである。図２１は、３種類のスラント角θに対する、回折効率の高い範囲に対応する中間層の膜厚を示すグラフである。図２０及び図２１のグラフＧｒ２、Ｇｒ９、Ｇｒ１７～Ｇｒ２０において、ピッチＰが４５０ｎｍ、デューティ比Ｄｒが０．５、高さｈが３００ｎｍ、回折層３３の屈折率ｎ１が１．５１、基板の屈折率ｎ２が２．００、光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍの条件におけるグラフである。グラフＧｒ１７、Ｇｒ１９はスラント角θが３０度であり、グラフＧｒ２、Ｇｒ９はスラント角θが４５度であり、グラフＧｒ１８、Ｇｒ２０はスラント角θが６０度である。
Reference is now made to FIGS. 20 and 21. FIG. FIG. 20 is a graph showing the incident angle dependence of the incident angle diffraction efficiency with respect to three types of slant angles θ. FIG. 21 is a graph showing the film thickness of the intermediate layer corresponding to the range of high diffraction efficiency with respect to three types of slant angles θ. In the graphs Gr2, Gr9, and Gr17 to Gr20 of FIGS. 20 and 21, the pitch P is 450 nm, the duty ratio Dr is 0.5, the height h is 300 nm, the refractive index n1 of the
図２０に示すように、スラント角θが変わっても、回折格子３７の回折効率の極大値の位置は大きく変化しない。したがって、図２１に示すように、回折効率の高い範囲の中間層膜厚ｄも大きく変化しない。例えば、グラフＧｒ１９の場合、中間層４１の膜厚ｄが１６０ｎｍから２００ｎｍの範囲と、３８０ｎｍから５００ｎｍの範囲と、６２０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。グラフＧｒ２０の場合、中間層４１の膜厚ｄが１６０ｎｍから２４０ｎｍの範囲と、４００ｎｍから５４０ｎｍの範囲と、６６０ｎｍから７００ｎｍの範囲とにおいて、第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値ｍｖ１が極大値Ｐ１の半分の値ＶＨ１よりも大きい。
As shown in FIG. 20, even if the slant angle θ changes, the position of the maximum value of the diffraction efficiency of the
このように、中間層４１の膜厚ｄは、回折格子３７のデューティ比Ｄｒ、ピッチＰ、高さｈ等の条件により最適化されており、例えば、１００ｎｍ以上、１μｍ以下である。この膜厚であれば、図９及び図１２に示すように、可視光の光束が回折層３３に入射した場合に、基板３５と中間層４１との境界で反射することなく中間層４１から基板３５内へ進む光束Ｌ２ｂと中間層４１と基板３５との境界４１ａで一旦反射しさらに回折格子３７間の底部３９ａで反射して、中間層４１から基板３５内へ進む光束Ｌ２ｃとで干渉を生じさせることができる。
Thus, the film thickness d of the
また、回折素子３１に入射する画像光の光束Ｌ１は、平行光化されているもののある程度の角度分布を有する。そこで、回折層３３の入射角に対する回折効率の関係において、２つ以上の複数の極大値を有し、極大値間の回折効率は、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きくなるようにすることで、回折素子３１の回折効率を広い角度幅において向上させることができる。
Also, the luminous flux L1 of the image light incident on the
[１－２．効果等]
本開示の回折素子３１は、入射する光束Ｌ１を回折する回折層３３と、回折層３３を支持する基板３５と、を備える。回折層３３は、回折格子３７を有する回折格子層３９と、回折格子層３９と基板３５との間に配置された中間層４１と、を備える。回折格子層３９の屈折率と中間層４１の屈折率とが等しい。光束Ｌ１が回折層３３に入射する入射角に対する回折層３３の回折効率の関係において、極大値Ｐ１が存在し、極大値Ｐ１の最大値に最も近い第１の変曲点ｉｐ１と１つ以上の極大値Ｐ１の最大値から第１の変曲点ｉｐ１への方向の延長上に存在する第１の変曲点ｉｐ１の次の第２の変曲点ｉｐ２が存在する。第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値が極大値Ｐ１の最大値の半分の値ＶＨ１よりも大きい。中間層４１の膜厚ｄは、中間層４１に入射した光束Ｌ１に干渉を生じさせる厚みである。
[1-2. effects, etc.]
A
中間層４１の膜厚ｄは、中間層４１に入射した光束Ｌ１に干渉を生じさせる厚みであるので、回折格子３７で回折された光束Ｌ２ａがそのまま中間層４１を透過する光束と、基板３５と中間層４１との境界４１ａで反射し、さらに中間層４１の格子層側、つまり、回折格子３７間の底部３９ａで反射した光束Ｌ２ｃとで干渉が生じる。さらには、回折層３３の入射角に対する回折効率の関係において、極大値Ｐ１の最大値に最も近い第１の変曲点ｉｐ１と極大値Ｐ１の最大値から第１の変曲点ｉｐ１への方向の延長上に存在する第１の変曲点ｉｐ１の次の第２の変曲点ｉｐ２を有する。第１の変曲点ｉｐ１と第２の変曲点ｉｐ２間の最小値が極大値Ｐ１の最大値の半分の値ＶＨ１よりも大きいので、中間層４１における干渉が強め合っており、入射角の広い範囲において高い回折効率を得ることができる。
The film thickness d of the
また、基板３５の屈折率ｎ２は、回折格子層３９及び中間層４１のそれぞれの屈折率ｎ１よりも大きい。回折素子３１に入射する光束Ｌ１は、基板３５よりも屈折率の小さい回折層３３で回折するので、回折素子３１の表面での反射ロスを低減することができ、回折効率を向上することができる。
Also, the refractive index n2 of the
（実施の形態２）
次に、図２２及び図２３を参照して、実施の形態２における回折素子３１を説明する。実施の形態１における回折素子３１によって回折された回折効率の入射角依存性を示すグラフの極大値は１つだけであったが、実施の形態２における回折素子３１によって回折された回折効率の入射角依存性を示すグラフの極大値は２つである。この点及び以下に説明する点以外の点については、実施の形態１と実施の形態２とは共通の構成を有する。
(Embodiment 2)
Next, the
図２２を参照して、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きいことについて説明する。図２２は、入射角に対する回折効率の関係を示すグラフである。図２２において、グラフＧｒ２２ａは、図２３に示すグラフＧｒ２２における中間層４１の膜厚ｄが２００ｎｍの場合の入射角に対する回折効率の関係を示す。また、図２２において、グラフＧｒ２２ｂは、図２３に示すグラフＧｒ２２における中間層４１の膜厚ｄが３４０ｎｍの場合の入射角に対する回折効率の関係を示す。図２３において、縦軸は、２つの極大値Ｐ１１、Ｐ１２間の最小値ｍｖ２が極大値Ｐ１１、Ｐ１２の最大値（極大値Ｐ１１の値）の半値以上の大きさであれば０以外の値、半値よりも小さければ０としている。したがって、各グラフが０よりも大きい値の中間層４１の膜厚ｄの範囲が、入射角の広い範囲での回折効率が高いことを示している。なお、後で示す図２４及び図２５についても同様である。
With reference to FIG. 22, it will be described that the diffraction efficiency between maxima depending on the angle of incidence is greater than half the maximum value of a plurality of maxima. FIG. 22 is a graph showing the relationship of diffraction efficiency to incident angle. In FIG. 22, graph Gr22a shows the relationship of the diffraction efficiency to the incident angle when the film thickness d of the
グラフＧｒ２２ａは、入射角が－９度から２０度の間で、回折効率の極大値（ピーク）として、極大値Ｐ１１と極大値Ｐ１２とを有する。さらに、極大値Ｐ１１に最も近い第１の変曲点ｉｐ２１と極大値Ｐ１１から第１の変曲点ｉｐ２１への方向の延長上に存在する、第１の変曲点ｉｐ２１の次の第２の変曲点ｉｐ２２を有する。また、グラフＧｒ２２ａは、他にも、極大値Ｐ１１から第１の変曲点ｉｐ２１への方向と逆の方向の延長上に存在する第３の変曲点ｉｐ２３と、極大値Ｐ１１から第１の変曲点ｉｐ２１への方向の延長上に存在する第２の変曲点ｉｐ２２の次の第４の変曲点ｉｐ２４とを有する。グラフＧｒ２２ａにおいて、第１の変曲点ｉｐ２１と第２の変曲点ｉｐ２２間の最小値ｍｖ２が極大値（ピーク）の最大値である、極大値Ｐ１１の値の半分の値ＶＨ２１よりも大きい。また、極大値Ｐ１１と極大値Ｐ１２との間の回折効率の値は、極大値の最大値である極大値Ｐ１１の値の半分の値ＶＨ２１以上より大きいので、入射角の範囲Ｒ２において回折効率が極大値Ｐ１１の半分の値ＶＨ２１よりも大きい範囲となり、入射角の広い範囲にわたって回折効率が高い。 Graph Gr22a has a maximum value P11 and a maximum value P12 as the maximum value (peak) of the diffraction efficiency when the incident angle is between -9 degrees and 20 degrees. Furthermore, a first inflection point ip21 closest to the local maximum value P11 and a second point of inflection ip21 next to the first inflection point ip21 existing on the extension of the direction from the local maximum value P11 to the first inflection point ip21 It has an inflection point ip22. In addition, the graph Gr22a also includes a third inflection point ip23 existing on the extension in the direction opposite to the direction from the maximum value P11 to the first inflection point ip21, and and a fourth inflection point ip24 next to the second inflection point ip22 existing on the extension of the direction toward the inflection point ip21. In the graph Gr22a, the minimum value mv2 between the first inflection point ip21 and the second inflection point ip22 is larger than the maximum value VH21 of the maximum value (peak), which is half the value of the maximum value P11. In addition, since the value of the diffraction efficiency between the maximum value P11 and the maximum value P12 is larger than the value VH21, which is half the value of the maximum value P11, which is the maximum value of the maximum values, the diffraction efficiency in the range R2 of the incident angle is The range is larger than the value VH21, which is half the maximum value P11, and the diffraction efficiency is high over a wide range of incident angles.
これに対して、グラフＧｒ２２ｂは、回折効率の極大値（ピーク）として、極大値Ｐ１３と極大値Ｐ１４とを有する。さらに、極大値Ｐ１３に最も近い第１の変曲点ｉｐ３１と極大値Ｐ１３から第１の変曲点ｉｐ３１への方向の延長上に存在する、第１の変曲点ｉｐ３１の次の第２の変曲点ｉｐ３２を有する。また、グラフＧｒ２２ｂは、他にも、極大値Ｐ１３から第１の変曲点ｉｐ３１への方向と逆の方向の延長上に存在する第３の変曲点ｉｐ３３と、極大値Ｐ１３から第１の変曲点ｉｐ３１への方向の延長上に存在する第２の変曲点ｉｐ３２の次の第４の変曲点ｉｐ３４とを有する。グラフＧｒ２２ｂにおいて、第１の変曲点ｉｐ３１と第２の変曲点ｉｐ３２間の最小値ｍｖ３が極大値Ｐ１３の最大値の半分の値ＶＨ２２よりも小さい。また、極大値Ｐ１３と極大値Ｐ１４との間の回折効率の値は、極大値の最大値である極大値Ｐ１３の値の半分の値ＶＨ２２より小さい範囲があり、回折効率の高い入射角の範囲が狭い。したがって、グラフＧｒ２２ｂにおける回折効率が極大値Ｐ１３の半分の値ＶＨ２２よりも大きい範囲となる入射角の範囲Ｒ３は、グラフＧｒ２２ａの範囲Ｒ２よりも小さい。 On the other hand, the graph Gr22b has a maximum value P13 and a maximum value P14 as the maximum value (peak) of the diffraction efficiency. Further, a first inflection point ip31 closest to the local maximum value P13 and a second point of inflection ip31 next to the first inflection point ip31 existing on the extension of the direction from the local maximum value P13 to the first inflection point ip31 It has an inflection point ip32. In addition, the graph Gr22b also includes a third inflection point ip33 existing on the extension in the direction opposite to the direction from the maximum value P13 to the first inflection point ip31, and and a fourth point of inflection ip34 next to the second point of inflection ip32 that exists on the extension of the direction toward the point of inflection ip31. In the graph Gr22b, the minimum value mv3 between the first inflection point ip31 and the second inflection point ip32 is smaller than the half value VH22 of the maximum value of the local maximum value P13. In addition, the value of the diffraction efficiency between the maximum value P13 and the maximum value P14 has a range smaller than the half value VH22 of the value of the maximum value P13, which is the maximum value of the maximum values, and the range of the incident angle with high diffraction efficiency is narrow. Therefore, the incident angle range R3 in which the diffraction efficiency in the graph Gr22b is larger than the half value VH22 of the maximum value P13 is smaller than the range R2 in the graph Gr22a.
このように、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きいことにより、入射角の広い範囲にわたって回折効率が高い回折素子３１を実現することができる。
In this way, the diffraction efficiency between the maxima depending on the incident angle is larger than half the maximum value of the plurality of maxima, so that the
図２３は、３種類の回折格子３７のデューティ比Ｄｒに対する、回折効率の高い範囲に対応する中間層の膜厚を示すグラフである。そして、中間層４１の膜厚ｄに対して、入射角依存性が適している回折格子３７のデューティ比Ｄｒ、中間層４１の膜厚ｄとの関係を示している。図２３で用いられた回折格子３７において、ピッチＰが４５０ｎｍであり、高さｈが３００ｎｍであり、スラント角θが４５度であり、回折格子層３９及び中間層４１の屈折率ｎ１が１．５１であり、基板３５の屈折率ｎ２が２．００であり、回折素子３１に入射する光束Ｌ１の波長λが５２０ｎｍである。
FIG. 23 is a graph showing the film thickness of the intermediate layer corresponding to the range of high diffraction efficiency with respect to the duty ratio Dr of three types of
例えば、回折格子３７のデューティ比Ｄｒが０．３の場合を示すグラフＧｒ２１の場合、中間層４１の膜厚ｄが４６０ｎｍの場合と、６４０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。
For example, in the case of the graph Gr21 showing the case where the duty ratio Dr of the
回折格子３７のデューティ比Ｄｒが０．５の場合を示すグラフＧｒ２２の場合、中間層４１の膜厚ｄが１８０ｎｍから２６０ｎｍの範囲と、４４０ｎｍから５６０ｎｍの範囲において、入射角依存性の極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。
In the case of the graph Gr22 showing the case where the duty ratio Dr of the
回折格子３７のデューティ比Ｄｒが０．７の場合を示すグラフＧｒ２３の場合、中間層４１の膜厚ｄが２２０ｎｍから２６０ｎｍの範囲と、４８０ｎｍから６００ｎｍの範囲において、入射角依存性の極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。
In the case of the graph Gr23 showing the case where the duty ratio Dr of the
この他にも、入射角依存性の極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値以上になる条件を説明する。図２４を参照して、回折格子３７の高さｈを変えた場合の、中間層４１の膜厚ｄの適した範囲を説明する。図２４は、３種類の回折格子３７の高さｈに対する、回折効率の高い範囲に対応する中間層の膜厚を示すグラフである。図２４で用いられた回折格子３７において、ピッチＰが４５０ｎｍであり、デューティ比Ｄｒが０．５であり、スラント角θが４５度である。
In addition to this, the conditions under which the diffraction efficiency between the maximum values of the incident angle dependence is equal to or more than half the maximum value of the plurality of maximum values will be described. A suitable range for the film thickness d of the
例えば、回折格子３７の高さｈが２００ｎｍの場合を示すグラフＧｒ２４の場合、中間層４１の膜厚ｄが２００ｎｍから２２０ｎｍの範囲と、４２０ｎｍから４８０ｎｍの範囲と、６４０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。また、回折格子３７の高さｈが３００ｎｍの場合を示すグラフＧｒ２２は、図２３のグラフＧｒ２２と同じである。
For example, in the case of graph Gr24 showing the case where the height h of the
回折格子３７の高さｈが４００ｎｍの場合を示すグラフＧｒ２５の場合、中間層４１の膜厚ｄが２４０ｎｍから３００ｎｍの範囲と、４８０ｎｍから６２０ｎｍの範囲において、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。
In the case of the graph Gr25 showing the case where the height h of the
次に図２５を参照して、回折格子３７のスラント角θを変えた場合の、中間層４１の膜厚ｄの適した範囲を説明する。図２５は、３種類の回折格子３７のスラント角θに対する、回折効率の高い範囲に対応する中間層の膜厚を示すグラフである。図２５で用いられた回折格子３７において、ピッチＰが４５０ｎｍであり、デューティ比Ｄｒが０．５であり、高さｈが３００ｎｍである。
Next, with reference to FIG. 25, a suitable range of the film thickness d of the
例えば、回折格子３７のスラント角θが３０度の場合を示すグラフＧｒ２６の場合、中間層４１の膜厚ｄが２００ｎｍから２２０ｎｍの範囲と、４２０ｎｍから５００ｎｍの範囲と、６６０ｎｍから７００ｎｍの範囲において、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。また、回折格子３７のスラント角θが４５度の場合を示すグラフＧｒ２２は、図２３及び図２４のグラフＧｒ２２と同じである。
For example, in the case of graph Gr26 showing the case where the slant angle θ of the
回折格子３７のスラント角θが６０度の場合を示すグラフＧｒ２７の場合、中間層４１の膜厚ｄが１８０ｎｍから２４０ｎｍの範囲と、４２０ｎｍから５４０ｎｍの範囲と、６６０ｎｍから７００ｎｍの範囲とにおいて、入射角に依存する極大値間の回折効率が、複数の極大値の最大値の半分の値よりも大きい。
In the case of the graph Gr27 showing the case where the slant angle θ of the
本開示の回折素子３１は、回折層３３に入射する光束の入射角に対する回折層３３の回折効率の関係において、２つ以上の複数の極大値Ｐ１１、Ｐ１２を有し、極大値Ｐ１１、Ｐ１２間の回折効率は、複数の極大値Ｐ１１、Ｐ１２の最大値の半分の値よりも大きい。
The
回折層３３の入射角に対する回折効率の関係において、２つ以上の複数の極大値Ｐ１１、Ｐ１２を有し、極大値Ｐ１１と極大値Ｐ１２との間の回折効率は、複数の極大値Ｐ１１、Ｐ１２の最大値の半分の値よりも大きいので、入射角の広い範囲において高い回折効率を得ることができる。
The relationship of the diffraction efficiency to the incident angle of the
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
(Other embodiments)
As described above, the above embodiment has been described as an example of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which modifications, replacements, additions, omissions, etc. are made as appropriate. Therefore, other embodiments will be exemplified below.
上記実施の形態では、入射角に対する回折層３３の回折効率の関係において、極大値が１つまたは２つ存在する場合を説明したが、これに限らない。入射角に対する回折層３３の回折効率の関係において、極大値が３つ以上存在してもよい。例えば、極大値が３つ存在する場合、３つの極大値の最大値である第１の極大値と、第１の極大値に最も近い第１の変曲点を第１の極大値との間に位置する第２の極大値と、さらに別の第３の極大値とが存在する。第１の極大値に最も近い第１の変曲点と、第１の極大値から第１の変曲点への方向の延長上に存在する第１の変曲点の次の第２の変曲点とが、第１の極大値と第２の極大値との間に存在し、第１の変曲点と第２の変曲点との間の最小値が第１の極大値の半分の値よりも大きい。第３の極大値が、第１の極大値から第１の変曲点及び第２の変曲点への方向の延長上に存在する場合、第２の極大値と第３の極大値との間の最小値は、第１の極大値の半分の値よりも大きくてもよいし、以下でもよい。また、第３の極大値が、第１の極大値から第１の変曲点及び第２の変曲点への方向と逆の方向の延長上に存在する場合、第１の極大値と第３の極大値との間の最小値は、第１の極大値の半分の値よりも大きくてもよいし、以下でもよい。このような構成であっても、第１の変曲点と第２の変曲点との間の最小値が第１の極大値の半分の値よりも大きいので、入射角の広い範囲において高い回折効率を得ることができる。
In the above embodiment, the relationship of the diffraction efficiency of the
上記実施の形態では、第１拡張領域２３で光束Ｌ１を拡張する第１の方向はＸ軸の正の方向（水平方向）であり、第２拡張領域２５で光束Ｌ１を拡張する第２の方向はＹ軸の負の方向であったがこれに限らない。第１拡張領域２３で拡張する第１の方向をＹ軸の負の方向とし、第２拡張領域２５で拡張する第２の方向をＸ軸の正の方向としてもよい。
In the above embodiment, the first direction in which the light flux L1 is expanded in the
上記実施の形態では、分割複製した光束Ｌ４をウインドシールド５に反射させて観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させていたがこれに限らない。ウインドシールド５の代わりにコンバイナーを用いて、コンバイナーに分割複製した光束Ｌ４を反射させて観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させてもよい。
In the above-described embodiment, the split-copied light beam L4 is reflected by the
上記実施の形態では、ＨＵＤシステム１を自動車などの車両３に適用した場合について説明した。しかしながら、ＨＵＤシステム１を適用する対象物は車両３に限らない。ＨＵＤシステム１を適用する対象物は、例えば、列車、オートバイ、船舶、または航空機であってもよいし、移動を伴わないアミューズメント機でもよい。アミューズメント機の場合、ウインドシールド５の代わりに表示部１１から出射された光束を反射する透光部材としての透明曲板に表示部１１からの光束が反射される。また、ユーザが透明曲板を介して視認可能な実景は、別の映像表示装置から表示される映像であってもよい。すなわち、別の映像表示装置から表示される映像にＨＵＤシステム１による虚像を重ねて表示してもよい。このように、本開示における透光部材として、ウインドシールド５、コンバイナー、及び透明曲板のいずれかを採用してもよい。
In the above embodiment, the case where the
上記実施の形態では、回折素子３１は虚像Ｉｖを表示するＨＵＤシステム１に用いられていたがこれに限らない。光学系２は、観察者が透光部材を介して虚像を見るのではなく、例えば、出射面２７から出射される光束を直接観察する画像表示システムに用いられてもよい。この場合、観察者は、出射される光束で形成される画像を直接視認する者となるので、移動体の搭乗者に限定されない。
In the above embodiment, the
（実施の形態の概要）
（１）本開示の回折素子は、入射する光束を回折する回折層と、回折層を支持する基板と、を備える。回折層は、回折格子を有する回折格子層と、回折格子層と基板との間に配置された中間層と、を備える。回折格子層の屈折率と中間層の屈折率とが等しく、光束が回折層に入射する入射角に対する回折層の回折効率の関係において、１つ以上の極大値が存在する。１つ以上の極大値の最大値に最も近い第１の変曲点と極大値の最大値から第１の変曲点への方向の延長上に存在する第１の変曲点の次の第２の変曲点が存在し、第１の変曲点と第２の変曲点との間の最小値が極大値の最大値の半分の値よりも大きい。中間層の膜厚は、中間層に入射した光束に干渉を生じさせる厚みである。
(Overview of Embodiment)
(1) A diffraction element of the present disclosure includes a diffraction layer that diffracts an incident light beam, and a substrate that supports the diffraction layer. The diffraction layer comprises a diffraction grating layer having a diffraction grating and an intermediate layer arranged between the diffraction grating layer and the substrate. The refractive index of the diffraction grating layer and the intermediate layer are equal, and one or more maxima exist in the relationship of the diffraction efficiency of the diffraction layer to the incident angle at which the light beam enters the diffraction layer. A first inflection point closest to the maximum of one or more local maxima and the first inflection point on the extension of the direction from the maximum of the local maxima to the first inflection point There are two inflection points and the minimum value between the first and second inflection point is greater than half the maximum value of the local maxima. The film thickness of the intermediate layer is the thickness that causes interference in the light flux incident on the intermediate layer.
中間層の膜厚は、中間層に入射した光束に干渉を生じさせる厚みであるので、回折格子で回折された光束がそのまま中間層を透過する光束と、基板と中間層との境界で反射し、さらに中間層の格子層側で反射した光束とで干渉が生じる。第１の変曲点と第２の変曲点間の最小値が極大値の最大値の半分の値よりも大きいので、この干渉が強め合っており、入射角の広い範囲において高い回折効率を得ることができる。 The film thickness of the intermediate layer is such that interference occurs in the light flux incident on the intermediate layer. Furthermore, interference occurs with the luminous flux reflected on the grating layer side of the intermediate layer. Since the minimum value between the first and second inflection points is greater than half the maximum value of the local maximum, this interference is constructive and provides high diffraction efficiency over a wide range of incident angles. Obtainable.
（２）（１）の回折素子において、１つ以上の極大値は、２つ以上の複数の極大値であって、複数の極大値の間の回折効率は、極大値の最大値の半分の値よりも大きい。 (2) In the diffraction element of (1), the one or more maxima are two or more maxima, and the diffraction efficiency between the maxima is half the maximum value of the maxima. Greater than value.
入射角に対する回折層の回折効率の関係において、２つ以上の複数の極大値を有し、複数の極大値間の回折効率は、極大値の最大値の半分の値よりも大きいので、入射角の広い範囲において高い回折効率を得ることができる。 In the relationship of the diffraction efficiency of the diffraction layer to the incident angle, it has two or more maxima, and the diffraction efficiency between the maxima is greater than half the maximum value of the maxima. high diffraction efficiency can be obtained in a wide range of .
（３）（１）または（２）の回折素子において、基板の屈折率は、回折格子層及び中間層のそれぞれの屈折率よりも大きい。 (3) In the diffraction element of (1) or (2), the refractive index of the substrate is higher than the refractive indices of the diffraction grating layer and the intermediate layer.
回折素子に入射する光束は、基板よりも屈折率の低い回折層で回折するので、回折素子の表面での反射ロスを低減することができ、回折効率を向上することができる。 A light beam incident on the diffraction element is diffracted by the diffraction layer having a lower refractive index than the substrate, so that reflection loss on the surface of the diffraction element can be reduced, and diffraction efficiency can be improved.
（４）（１）から（３）のいすれか１つの回折素子において、中間層の膜厚が１００ｎｍ以上、１μｍ以下である。 (4) In any one of the diffraction elements (1) to (3), the film thickness of the intermediate layer is 100 nm or more and 1 μm or less.
（５）（３）の回折素子において、回折格子層及び中間層の屈折率は、１．３以上、１．７以下である。 (5) In the diffraction element of (3), the diffraction grating layer and the intermediate layer have a refractive index of 1.3 or more and 1.7 or less.
（６）（５）の回折素子において、基板の屈折率は１．７以上である。 (6) In the diffraction element of (5), the refractive index of the substrate is 1.7 or more.
（７）（１）から（５）のいずれか１つの回折素子において、回折格子層と中間層とは一体化している。 (7) In the diffraction element of any one of (1) to (5), the diffraction grating layer and the intermediate layer are integrated.
（８）（１）から（７）のいずれか１つの回折素子において、回折格子のスラント角が３０度以上６０度以下である。 (8) In the diffraction element of any one of (1) to (7), the slant angle of the diffraction grating is 30 degrees or more and 60 degrees or less.
（９）（１）から（８）のいずれか１つの回折素子において、回折格子の高さが２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。 (9) In the diffraction element of any one of (1) to (8), the height of the diffraction grating is 200 nm or more and 400 nm or less.
（１０）（１）から（９）のいずれか１つの回折素子において、回折格子のデューティ比が０．３以上０．７以下である。 (10) In the diffraction element of any one of (1) to (9), the duty ratio of the diffraction grating is 0.3 or more and 0.7 or less.
（１１）本開示の光学系は、（１）から（１０）のいずれか１つの回折素子が配置された結合領域を有する導光体と、像として観察者に視認される光束を出射する表示部と、を備える。導光体は、光束を複製し、導光体は、表示部からの光束が入射する入射面と、導光体から光束が出射する出射面と、を有する。導光体の入射面に入射した光束は、導光体内の結合領域の回折素子による回折によって進行方向が変更される。進行方向が変更された光束は、導光体内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者の視認する像の水平方向に対応した第１の方向、または像の垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に出射面から出射される。 (11) The optical system of the present disclosure includes a light guide having a coupling region in which any one of the diffraction elements of (1) to (10) is arranged, and a display that emits a light flux that is visually recognized by an observer as an image. and The light guide replicates the luminous flux, and the light guide has an incident surface on which the luminous flux from the display portion is incident and an exit surface from which the luminous flux is emitted from the light guide. A luminous flux incident on the incident surface of the light guide has its traveling direction changed by diffraction by the diffraction element of the coupling region in the light guide. The luminous flux whose traveling direction has been changed is diffracted by the diffractive structure of the extended region in the light guide in a first direction corresponding to the horizontal direction of the image viewed by the observer or in a second direction corresponding to the vertical direction of the image. , or after being expanded by being duplicated in both directions, is emitted from the exit surface.
（１２）（１１）の光学系において、光学系は、２つの拡張領域を有し、一方の拡張領域は、結合領域から一方の拡張領域に入射した光束を第１の方向または第２の方向に複製することで拡張する。他方の拡張領域は、一方の拡張領域から他方の拡張領域に入射した光束を第２の方向または第１の方向に複製することで拡張する。 (12) In the optical system of (11), the optical system has two expansion regions, one of which expands the light beam incident on the one expansion region from the coupling region in the first direction or the second direction. Extend by duplicating to . The other expansion area expands by duplicating the luminous flux incident from one expansion area to the other expansion area in the second direction or the first direction.
（１３）本開示のヘッドアップディスプレイシステムは、（１１）または（１２）の光学系と、導光体から出射した光束が反射する透光部材と、を備える。透光部材を介して視認可能な実景に虚像として像を重ねて表示する。 (13) A head-up display system of the present disclosure includes the optical system of (11) or (12), and a translucent member that reflects the light flux emitted from the light guide. A virtual image is superimposed and displayed on a real scene that can be visually recognized through the translucent member.
（１４）（１３）のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、透光部材は、移動体のウインドシールドである。 (14) In the head-up display system of (13), the translucent member is a windshield of the moving body.
本開示は、入射する光束を回折する回折素子、及び、この回折素子を用いて像を複製して表示する光学系及びヘッドアップディスプレイシステムに適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure is applicable to a diffraction element that diffracts an incident light beam, and an optical system and a head-up display system that reproduce and display an image using this diffraction element.
１ ヘッドアップディスプレイシステム
３ 車両
３ａ 中心線
５ ウインドシールド
１１ 表示部
１３ 導光体
１３ａ 第１主面
１３ｂ 第２主面
１５ 制御部
１７ 記憶装置
２０ 入射面
２１ 結合領域
２３ 第１拡張領域
２３ａ ポイント
２５ 第２拡張領域
２５ａ ポイント
２７ 出射面
３１ 回折素子
３３ 回折層
３５ 基板
３７ 回折格子
３９ 回折格子層
４１ 中間層
Claims (14)
前記回折層を支持する基板と、を備え、
前記回折層は、
回折格子を有する回折格子層と、
前記回折格子層と前記基板との間に配置された中間層と、を備え、
前記回折格子層の屈折率と前記中間層の屈折率とが等しく、
前記光束が前記回折層に入射する入射角に対する前記回折層の回折効率の関係において、１つ以上の極大値が存在し、
前記１つ以上の極大値の最大値に最も近い第１の変曲点と前記極大値の最大値から前記第１の変曲点への方向の延長上に存在する第１の変曲点の次の第２の変曲点が存在し、前記第１の変曲点と前記第２の変曲点との間の最小値が前記極大値の最大値の半分の値よりも大きく、
前記中間層の膜厚は、前記中間層に入射した前記光束に干渉を生じさせる厚みである、
回折素子。 a diffraction layer that diffracts an incident light beam;
a substrate supporting the diffraction layer;
The diffraction layer is
a grating layer having a grating;
an intermediate layer disposed between the grating layer and the substrate;
the refractive index of the diffraction grating layer and the refractive index of the intermediate layer are equal,
At least one maximum exists in the relationship between the diffraction efficiency of the diffraction layer and the angle of incidence at which the light flux enters the diffraction layer,
A first inflection point closest to the maximum of the one or more local maxima and a first inflection point existing on the extension of the direction from the maximum of the local maxima to the first inflection point there is a second inflection point, and the minimum value between the first inflection point and the second inflection point is greater than half the maximum value of the local maximum;
The thickness of the intermediate layer is a thickness that causes interference with the light flux incident on the intermediate layer.
diffraction element.
前記複数の極大値の間の回折効率は、前記極大値の最大値の半分の値よりも大きい、
請求項１に記載の回折素子。 The one or more local maxima are two or more local maxima,
the diffraction efficiency between the plurality of maxima is greater than half the maximum value of the maxima;
A diffraction element according to claim 1 .
請求項１または２に記載の回折素子。 the refractive index of the substrate is greater than the refractive index of each of the diffraction grating layer and the intermediate layer;
3. The diffraction element according to claim 1 or 2.
請求項１から３のいずれか１つに記載の回折素子。 The film thickness of the intermediate layer is 100 nm or more and 1 μm or less,
A diffraction element according to any one of claims 1 to 3.
請求項３に記載の回折素子。 The diffraction grating layer and the intermediate layer have a refractive index of 1.3 or more and 1.7 or less.
4. The diffraction element according to claim 3.
請求項５に記載の回折素子。 The substrate has a refractive index of 1.7 or more.
A diffraction element according to claim 5 .
請求項１から６のいずれか１つに記載の回折素子。 The diffraction grating layer and the intermediate layer are integrated,
A diffraction element according to any one of claims 1 to 6.
請求項１から７のいずれか１つに記載の回折素子。 The slant angle of the diffraction grating is 30 degrees or more and 60 degrees or less.
A diffraction element according to any one of claims 1 to 7.
請求項１から８のいずれか１つに記載の回折素子。 The height of the diffraction grating is 200 nm or more and 400 nm or less,
A diffraction element according to any one of claims 1 to 8.
請求項１から９のいずれか１つに記載の回折格子。 The diffraction grating has a duty ratio of 0.3 or more and 0.7 or less.
A diffraction grating according to any one of claims 1 to 9.
像として観察者に視認される光束を出射する表示部と、を備え、
前記導光体は、前記光束を複製し、
前記導光体は、前記表示部からの光束が入射する入射面と、前記導光体から光束が出射する出射面と、を有し、
前記導光体の前記入射面に入射した光束は、前記導光体内の前記結合領域の前記回折素子による回折によって進行方向が変更され、
前記進行方向が変更された光束は、前記導光体内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者の視認する前記像の水平方向に対応した第１の方向、または前記像の垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に前記出射面から出射される、
光学系。 a light guide having a coupling region in which the diffraction element according to any one of claims 1 to 10 is arranged;
a display unit that emits a luminous flux that is visually recognized by an observer as an image,
The light guide replicates the light flux,
The light guide has an incident surface on which the light beam from the display unit is incident and an exit surface from which the light beam is emitted from the light guide,
A light beam incident on the incident surface of the light guide has its traveling direction changed by diffraction by the diffraction element of the coupling region in the light guide,
The luminous flux whose traveling direction has been changed corresponds to the first direction corresponding to the horizontal direction of the image visually recognized by the observer by diffraction by the diffraction structure of the extended region in the light guide, or the vertical direction of the image. emitted from the exit surface after being expanded by being replicated in a second direction, or both directions;
Optical system.
一方の前記拡張領域は、前記結合領域から前記一方の拡張領域に入射した光束を前記第１の方向または前記第２の方向に複製することで拡張し、
他方の前記拡張領域は、前記一方の拡張領域から前記他方の拡張領域に入射した光束を前記第２の方向または前記第１の方向に複製することで拡張する、
請求項１１に記載の光学系。 The optical system has two said expansion regions,
one of the expansion regions expands by duplicating the light beam incident on the one expansion region from the coupling region in the first direction or the second direction;
The other expansion region expands by duplicating the light beam incident from the one expansion region to the other expansion region in the second direction or the first direction,
The optical system according to claim 11.
前記導光体から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、
前記透光部材を介して視認可能な実景に虚像として前記像を重ねて表示する、
ヘッドアップディスプレイシステム。 the optical system of claim 11 or 12;
a light-transmitting member that reflects the light flux emitted from the light guide,
displaying the image as a virtual image superimposed on a real scene visible through the translucent member;
head-up display system.
請求項１３に記載のヘッドアップディスプレイシステム。 The translucent member is a windshield of a mobile body,
14. A head-up display system according to claim 13.
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