JP2023104223A - 導光板及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率や解像度などの向上により画質を向上させること。【解決手段】入射される光を導光板内部に回折する入射部と、前記入射部が前記導光板内部に回折した前記光を内部全反射して導光する経路と、前記経路が導光した前記光を回折して観察者の瞳に出射する出射部と、を備えており、前記出射部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、前記複数の回折格子群が、正面視において、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を観察者の瞳方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、導光板を提供する。【選択図】図３

Description

本技術は、導光板及び画像表示装置に関する。

従来、拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）、仮想現実（ＶＲ：Virtual Reality）、及び複合現実（ＭＲ：Mixed Reality）などを含むクロスリアリティ（ＸＲ：Cross Reality）を実現するために、画像光を観察者の瞳に投射する導光板が開発されている。

例えば特許文献１～３では、光の利用効率の向上などにより画質を向上させた導光板に関する技術が開示されている。

国際公開第２０２０／２１７０４４号 米国特許出願公開第２０２１／００７２５３４号明細書 米国特許出願公開第２０２１／０２０９６３０号明細書

しかし、特許文献１～３において開示されている技術では、画質の向上について改善の余地がある。

そこで、本技術は、光の利用効率や解像度などの向上により画質を向上させる導光板及び画像表示装置を提供することを主目的とする。

本技術は、入射される光を導光板内部に回折する入射部と、前記入射部が前記導光板内部に回折した前記光を内部全反射して導光する経路と、前記経路が導光した前記光を回折して観察者の瞳に出射する出射部と、を備えており、前記出射部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、前記複数の回折格子群が、正面視において、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を観察者の瞳方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、導光板を提供する。
前記回折格子が、前記光を２次元方向に回折してよい。
前記入射部が有する格子ベクトルと、前記出射部が有する基本格子ベクトルの和が閉じていてよい。
隣接して配されている互いの前記回折格子群が、略同一方向の格子ベクトルを有していてよい。
前記回折格子群が、２次元に配されている複数の単位回折格子を有していてよい。
前記単位回折格子が、前記出射部が有する回折格子の周期構造の組み合わせからなっていてよい。
前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の一方から他方に向かうにつれて略連続的に変化していてよい。
前記回折格子群の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっていてよい。
前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっていてよい。
前記回折格子群が、前記光を前記出射部の内側方向に回折する戻し回折格子を含んでおり、前記戻し回折格子のピッチが、前記出射部が有する他の回折格子のピッチを整数で割った値であってよい。
前記戻し回折格子を含む回折格子群が、前記経路からの光が入射される領域の外側であり、かつ、前記出射部の外周囲に配されていてよい。
前記戻し回折格子が、縞状の周期構造を有していてよい。
前記単位回折格子が、ホールパターン又はピラーパターンであってよい。
前記出射部が、前記導光板の一方又は両方の面に配されていてよい。
前期出射部が、前記入射部と、導光板の厚さ方向に同じ又は異なる位置に配されていてよい。
前記導光板が、一つ又は複数の前記入射部と、一つ又は複数の前記出射部と、を備えていてよい。
前記入射部と前記出射部との間に拡張部をさらに備えており、前記拡張部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、該複数の回折格子群が、正面視において、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいてよい。
前記拡張部と、前記出射部と、が互いに隣接して配されていてよい。
また、本技術は、前記導光板と、前記導光板に画像光を出射する画像形成部と、を備えている、画像表示装置を提供する。

本技術によれば、光の利用効率や解像度などの向上により画質を向上させる導光板及び画像表示装置を提供できる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本技術の一実施形態に係る導光板１の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る入射部２及び出射部４が備えている回折格子が有する格子ベクトルの例を示す概念図である。 本技術の一実施形態に係る出射部４の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る入射部２及び出射部４の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る出射部４の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。 本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。 本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。 本技術の一実施形態に係る単位回折格子の構成例を示す簡略平面図である。 本技術の一実施形態に係る単位回折格子５１を構成する回折格子の形状の例を示す簡略斜視図である。 本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。 本技術の一実施形態に係る回折格子群５の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る回折格子群５の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る単位回折格子５１の構成例を示す簡略平面図である。 本技術の一実施形態に係る出射部４の構成例を示す簡略平面図である。 本技術の一実施形態に係る導光板１の構成例を示す簡略側面断面図である。 本技術の一実施形態に係る導光板１の構成例を示す簡略側面断面図である。 本技術の一実施形態に係る入射部２及び出射部４の構成例を示す簡略正面図である。 本技術の一実施形態に係る入射部２、出射部４、及び拡張部６が備えている回折格子が有する格子ベクトルの例を示す概念図である。 本技術の一実施形態に係る画像表示装置１０の構成例を示すブロック図である。

以下、本技術を実施するための好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本技術の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本技術の範囲が限定されることはない。また、本技術は、下記の実施例及びその変形例のいずれかを組み合わせることができる。

以下の実施形態の説明において、略平行、略直交のような「略」を伴った用語で構成を説明することがある。例えば、略平行とは、完全に平行であることを意味するだけでなく、実質的に平行である、すなわち、完全に平行な状態から例えば数％程度ずれた状態を含むことも意味する。他の「略」を伴った用語についても同様である。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

特に断りがない限り、図面において、「上」とは図中の上方向又は上側を意味し、「下」とは、図中の下方向又は下側を意味し、「左」とは図中の左方向又は左側を意味し、「右」とは図中の右方向又は右側を意味する。また、図面については、同一又は同等の要素又は部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（導光板の例１）
２．第２の実施形態（導光板の例２）
３．第３の実施形態（導光板の例３）
４．第４の実施形態（導光板の例４）
５．第５の実施形態（導光板の例５）
６．第６の実施形態（導光板の例６）
７．第７の実施形態（導光板の例７）
８．第８の実施形態（導光板の例８）
９．第９の実施形態（画像表示装置の例）

［１．第１の実施形態（導光板の例１）］
従来、導光板の端部から光が漏れることにより光の利用効率が低下するという問題がある。この問題を解決するために、本技術は、入射される光を導光板内部に回折する入射部と、前記入射部が前記導光板内部に回折した前記光を内部全反射して導光する経路と、前記経路が導光した前記光を回折して観察者の瞳に出射する出射部と、を備えており、前記出射部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、前記複数の回折格子群が、正面視において、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を観察者の瞳方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、導光板を提供する。

本技術の一実施形態に係る導光板について図１を参照しつつ説明する。図１は、本技術の一実施形態に係る導光板１の構成例を示す簡略正面図である。図１に示されるとおり、本技術の一実施形態に係る導光板１は、入射される光を導光板１内部に回折する入射部２と、入射部２が導光板１内部に回折した光を内部全反射して導光する経路３と、経路３が導光した光を回折して観察者の瞳に出射する出射部４と、を備えている。入射部２及び出射部４として、例えば表面レリーフ型回折格子（ＳＲＧ：Surface Relief Grating）、体積位相ホログラフィック回折格子（ＶＰＨＧ：Volume Phase Holographic Grating）などが用いられることができる。以下では、入射部２及び出射部４の一例として表面レリーフ型回折格子を用いて説明する。

画像光を形成する画像形成部（図示省略）などから入射される光は、入射部２により導光板１内部に回折される。導光板１内部に回折された光は導光板１内部の経路３を全反射して出射部４に導かれる。出射部４は、導かれた光を外側に広げたり、内側に戻したり、観察者の瞳に出射したりする。

なお、詳細は後述するが、入射部２と出射部４との間には光が導かれる経路３が配されるが、入射部２及び出射部４のそれぞれは物理的に離れていなくてもよい。

入射部２及び出射部４が備えている回折格子が有する格子ベクトルについて図２を参照しつつ説明する。図２は、本技術の一実施形態に係る入射部２及び出射部４が備えている回折格子が有する格子ベクトルの例を示す概念図である。図２に示されるとおり、入射部２が備えている回折格子は、入射される光を出射部４方向に回折する。出射部４の内側に配されている回折格子は、正面視において、光を出射部４の外側方向に回折することにより、光を広げる。出射部４の外側に配されている回折格子は、光を出射部４の内側方向に回折することにより、光の利用効率を向上することができる。

出射部４の構成例について図３を参照しつつ説明する。図３は、本技術の一実施形態に係る出射部４の構成例を示す簡略正面図である。図３に示されるとおり、出射部４は、２次元に配されている複数の回折格子群５を有している。複数の回折格子群５が、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を観察者の瞳方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる。前記回折格子は、前記光を２次元方向に回折する。

それぞれの回折格子群５は、２次元に配されている複数の単位回折格子５１を有している。単位回折格子５１は、光が出力されるために必要な最小限の格子ベクトルである基本ベクトルに基づいて構成されている。

単位回折格子５１の形状が、出射部４の面内の位置に応じて異なっている。特に、回折次数に対する効率が適切になるように設計されている。この単位回折格子５１の形状を変化させることにより、上下左右方向に光を回折する格子ベクトルの大きさと、観察者の瞳の方向に光を回折する格子ベクトルの大きさの比率を変化させることができる。例えば格子ベクトルが基本ベクトルの整数倍になるようにピッチが設計されている。なお、ピッチは回折格子の周期構造（例えばスリットなど）の間隔である。

例えば出射部４の略中央に配されている回折格子群５ａは、光を上下左右の２次元方向に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ａは、２次元に配されている複数の単位回折格子５１ａを有している。

出射部４の右上側に配されている回折格子群５ｂは、光を左下方向に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ｂが有する単位回折格子５１ｂの左下方向のピッチを、例えば略中央に配されている回折格子群５ａのピッチの略半分にすることができる。これにより、右上に配されている回折格子群５ｂは、基本ベクトルの略２倍の格子ベクトルの大きさを有する格子ベクトルが、入射される光の波数に和として作用し、前記光を戻す方向（例えば左下方向）に回折することができる。なお、この格子ベクトルの大きさは略２倍に限られず、例えば略３倍以上であってもよい。以下についても同様である。

ここで、回折格子群５は、前記光を出射部４の内側方向に回折する戻し回折格子を含んでいる。つまり、出射部４の右上側に配されている回折格子群５は、戻し回折格子を含んでいる。前記戻し回折格子のピッチは、出射部４が有する他の回折格子のピッチを整数で割った値である。

戻し回折格子を含む回折格子群５が、経路３からの光が入射される領域の外側であり、かつ、出射部４の外周囲に配されている。このことについて図４を参照しつつ説明する。図４は、本技術の一実施形態に係る入射部２及び出射部４の構成例を示す簡略正面図である。図４に示されるとおり、戻し回折格子を含む回折格子群５ｎが、経路３からの光が入射される領域の外側であり、かつ、出射部４の外周囲に配されている。これにより、光が出射部４の内側方向に回折される。その結果、光の利用効率が向上する。

矢印は、それぞれの回折格子群５ｎが有している回折格子の格子ベクトルの例を示している。戻し回折格子は、入射される光の進行方向と正反対の方向に光を戻さなくてもよい。例えば右側略中央に配されている回折格子群５ｎは、略左上方向から進行してきた光を、略左下方向に回折することができる。

図３の説明に戻る。出射部４の右側に配されている回折格子群５ｃも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｃは、光を左方向に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ｃが有する単位回折格子５１ｃの左右方向のピッチを、例えば略中央に配されている回折格子群５ａのピッチの略半分にすることができる。これにより、右側に配されている回折格子群５ｃは、基本ベクトルの略２倍の格子ベクトルの大きさで光を戻す方向（例えば左方向）に回折することができる。

この回折格子群５ｃよりも右側、つまり出射部４の右側最端部に配されている回折格子群５ｄも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｄは、光を左方向に回折する回折次数を有する。この回折格子群５ｄが有する単位回折格子５１の左右方向のピッチを、例えば略中央に配されている回折格子群５ａのピッチの略半分にすることができる。これにより、右側最端部に配されている回折格子群５ｄは、基本ベクトルの略２倍の格子ベクトルの大きさで光を戻す方向（例えば左方向）に回折することができる。さらに、この回折格子群５が含んでいる戻し回折格子が、上下方向に縞状の周期構造を有している。これにより、格子ベクトルの方向が一方向となり、光を戻す方向に回折する作用が優先される。

出射部４の右下側に配されている回折格子群５ｅも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｅは、光を戻す方向（例えば左上方向）に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ｅは、出射部４の右上側に配されている回折格子群５ｂを上下反転させた構成になっている。そのため、この回折格子群５ｅについての詳細な説明は省略する。

出射部４の下側最端部に配されている回折格子群５ｆも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｆは、光を戻す方向（例えば上方向）に回折する回折次数を有する。この回折格子群５ｆは、出射部４の右側最端部に配されている回折格子群５ｄを９０度回転させた構成になっている。そのため、この回折格子群５ｆについての詳細な説明は省略する。

出射部４の左下側に配されている回折格子群５ｇも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｇは、光を戻す方向（例えば右上方向）に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ｇは、出射部４の右下側に配されている回折格子群５ｅを左右反転させた構成になっている。そのため、この回折格子群５ｅについての詳細な説明は省略する。

出射部４の左側に配されている回折格子群５ｈも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｈは、光を戻す方向（例えば右方向）に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ｈは、出射部４の右側に配されている回折格子群５ｃを左右反転させた構成になっている。そのため、この回折格子群５ｈについての詳細な説明は省略する。

この回折格子群５ｈよりも左側、つまり出射部４の左側最端部に配されている回折格子群５ｉも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｉは、光を戻す方向（例えば右方向）に回折する回折次数を有する。この回折格子群５ｉは、出射部４の右側最端部に配されている回折格子群５ｄを左右反転させた構成になっている。そのため、この回折格子群５についての詳細な説明は省略する。

出射部４の左上側に配されている回折格子群５ｊも、戻し回折格子を含んでいる。この回折格子群５ｊは、光を戻す方向（例えば右下方向）に回折したり、観察者の瞳の方向に光を回折したりする回折次数を有する。この回折格子群５ｊは、出射部４の右上側に配されている回折格子群５ｂを左右反転させた構成になっている。そのため、この回折格子群５ｊについての詳細な説明は省略する。

出射部４がこのように構成されていることにより、光を適切な領域に導くことが可能となっている。さらに、出射部４の外側方向に向かう光を出射部４の内側に回折し、出射部４の適切な領域に光を閉じ込めて使用することが可能となっている。その結果、光の利用効率が向上し、良い輝度分布を得て、画質を向上させることができる。なお、この効果は、後述する他の実施形態においても同様に生じる。そのため、この効果についての再度の記載を省略することがある。

それぞれの回折格子群５（５ａ～５ｊ）が有する単位回折格子５１（５１ａ～５１ｊ）の形状が、出射部４の面内の一方から他方に向かうにつれて略連続的に変化している。これにより、回折する格子ベクトルの方向の急激な変化を防止している。その結果、波面の乱れが生じにくく、画質の劣化を低減できる。なお、「略連続的に変化している」とは、単位回折格子５１の形状がステップ状に変化していることを含む。出射部４の面内の一方から他方に向かうにつれて、少なくとも一つの単位回折格子５１の形状が、略連続的に変化していればよい。

また、隣接して配されている互いの前記回折格子群は、略同一方向の格子ベクトルを有する。このことについてさらに図５を参照しつつ説明する。図５は、本技術の一実施形態に係る出射部４の構成例を示す簡略正面図である。図５は、一例として、出射部４の略中央に配されている回折格子群５ａ（図３参照）と、出射部４の右側に配されている回折格子群５ｃと、が隣接して配されている。図３及び図５に示されるとおり、隣接して配されている互いの回折格子群は、略同一方向の格子ベクトルを有している。つまり、出射部４の略中央に配されている回折格子群５ａが有する回折格子の格子ベクトルの方向のうち少なくとも一方向が、出射部４の右側に配されている回折格子群５ｃが有する回折格子の格子ベクトルの方向と略同一となっている。これにより、隣接する複数の回折格子群に光が当たっても、波面の乱れを抑制できる。また、格子ベクトルの方向が略同一であるため、回折格子群間にスペースを確保する必要がない。これにより、導光板１の小型化に貢献できる。

ここで、従来技術と本技術を比較して説明する。例えば特許文献１（国際公開第２０２０／２１７０４４号）では、光を高効率に利用するために、導光板の外側に向かう光を導光板の内側に回折する回折格子を、光を観察者の瞳に回折する回折格子に隣接させて配置する導光板が提案されている。

従来、導光板の内側に回折する回折格子と、観察者の瞳に回折する回折格子とは、形成されている周期構造の向きが異なっていることが一般的である。そのため、様々な角度でこの導光板に光が入射されたとき、導光板の内側に回折する回折格子と、観察者の瞳に回折する回折格子との間隔が不十分である場合は、互いの回折格子の格子ベクトルの方向が離散的に変化するため、その境界で波面が乱れることになる。これにより、画質（特にＭＴＦ）が劣化するという問題がある。

この問題を解決するために、導光板の内側に回折する回折格子と、観察者の瞳に回折する回折格子との距離を十分に確保することが一つの方策である。しかし、これにより導光板の物理的サイズが大きくなるという問題が生じる。また、実際に作られる回折格子の端面においては、形状エラーや周辺部での面表面乱れによって、波面の乱れが生じて画質が劣化するという問題もある。さらに、回折格子が配される部分は、観察者が見る角度によっては色づいて見える。そのため、使用時に違和感が生じるという問題もある。

一方、本技術では、出射部４の外側方向に向かう光を主に出射部４の内側に回折する回折格子群と、主に観察者の瞳の方向に光を回折する回折格子群と、が隣接して配されている。そして、隣接して配されている互いの前記回折格子群は、略同一方向の格子ベクトルを有する。これにより、隣接する複数の回折格子群に光が当たっても、波面の乱れを抑制できる。また、格子ベクトルの方向が略同一であるため、回折格子群間にスペースを確保する必要がない。これにより、導光板の小型化に貢献できる。

特許文献２（米国特許出願公開第２０２１／００７２５３４号明細書）では、表面レリーフ格子の面を複数の領域に分割することで回折効率を適切に変化させることにより、輝度分布を改善させている。特に回折格子が存在しない領域が配されていることにより、均一性が向上している。しかし、回折格子が存在しない領域が配されていることにより、回折格子のエッジが面内で多数存在するため、画質の劣化が避けられない。また、このような回折格子は視認できるため見た目が劣化することから、観察者の瞳に回折する回折格子として用いられず、この回折格子に入射する光を回折して広げる光学素子に用いられる傾向にある。この光学素子と観察者の瞳に回折する回折格子とが分離している場合、導光板のサイズが大きくなり、デザイン性が損なわれるという問題が生じる。

一方、本技術では、出射部４の面内の光の利用効率が適切に設計されており、前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の一方から他方に向かうにつれて略連続的に変化している。これにより、見た目の劣化が避けられる。なおかつ、回折する格子ベクトルの方向の急激な変化を防止しているため、波面の乱れが生じにくく、画質の劣化を低減できる。

特許文献３（米国特許出願公開第２０２１／０２０９６３０号明細書）では、観察者の瞳に回折する回折格子の面内で、回折効率を変化させつつ、波数を考慮した回折格子が繰り返し配されている。例えば面内で３方向の格子ベクトルを配するため、１次元の回折格子を面内で詳細な領域に分割して配している。これにより、１次元の回折格子の効率を持たせつつ、３方向の光の利用が可能となっている。しかし、それぞれの領域の境界線では波面の方向が異なり、格子ベクトルの方向が離散的に変化するため、両方の回折格子に当たった光の波面が乱れるという問題が生じる。この境界線が多数存在していることにより、画質が劣化するという問題が生じる。

さらに、この特許文献３では、回折格子のピッチを考慮して、格子ベクトルの急激な変化を起こさず、回折格子の形状を連続的に変化させた案も提案されている。しかし、１次元方向への連続的に変化した形状であるため、その回折効率の設計に対して自由度が低い。そのため、導光板の外側に向かう光を適切な方向に回折することが難しい。

一方、本技術では、回折格子群が２次元に配されていることにより、回折次数とその効率分布をより柔軟に設計することが可能となっている。回折する格子ベクトルの方向の急激な変化を防止しているため、波面の乱れが生じにくく、画質の劣化を低減できる。さらに、ピッチを調整することで基本ベクトルの整数倍の格子ベクトルの大きさで回折する回折格子群を配することにより、出射部４の外側に向かう光を出射部４の内側に回折することができる。その結果、光の利用効率が向上する。

本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例について図６を参照しつつ説明する。図６は、本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。図６に示されるとおり、格子ベクトルＩＮ，Ｏ１，Ｏ２と、画角エリアＡと、が示されている。

格子ベクトルＩＮは、入射される光を導光板１の内部に取り込むための入射部２の回折格子の格子ベクトルを示している。格子ベクトルＯ１及びＯ２は、導光板１の内部に取り込まれた光を外側に広げたり、観察者の瞳に出射したりするための出射部４の回折格子の格子ベクトルを示している。

この設計例では、格子ベクトルＩＮ，Ｏ１，Ｏ２は略正三角形を構成している。入射部２が有する格子ベクトルＩＮと、出射部４が有する基本格子ベクトルＯ１及び基本格子ベクトルＯ２の和が０となり、閉じている。これにより、画質の劣化を防止できる。閉じていない差分が大きくなるほど画質が劣化する。

本技術の一実施形態に係る回折格子の設計はこれに限られない。本技術の一実施形態に係る回折格子の他の設計例について図７及び図８を参照しつつ説明する。図７及び図８は、本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。図７及び図８に示されるように、格子ベクトルの長さや方向を自由に変化させて設計することができる。この設計例においても、入射部２が有する格子ベクトルＩＮと、出射部４が有する基本格子ベクトルＯ１及び基本格子ベクトルＯ２の和が０となり、閉じている。これにより、画質の劣化を防止できる。

単位回折格子５１は、出射部４が有する回折格子の周期構造の組み合わせからなる。このことについて図９を参照しつつ説明する。図９は、本技術の一実施形態に係る単位回折格子の構成例を示す簡略平面図である。図９に示されるとおり、格子ベクトルＯ１から構成される回折格子の周期構造Ｓ１と、格子ベクトルＯ２から構成される回折格子の周期構造Ｓ２と、が示されている。

回折格子の周期構造Ｓ１と回折格子の周期構造Ｓ２とが組み合わされた構成が単位回折格子５１として構成される。構成する格子ベクトルの方向と、ピッチと、に応じて、単位回折格子５１の形状は変化する。

例えば、波長５３０ｎｍの緑色光の波長において、格子ベクトルＩＮ，Ｏ１，Ｏ２が略正三角形を構成し、屈折率が略２．０の導光板１である場合は、ピッチは略３６０ｎｍに形成されることができる。導光板や回折格子を構成する材料の屈折率によってそのピッチは前後する。例えば青色光のような短い波長の光を使用する場合はより短いピッチとなり、赤色光のような長い波長の光を使用する場合はより長いピッチとなる。

図３に示されるとおり、回折格子群の位置に応じて、単位回折格子５１を構成する回折格子の形状は変化する。回折格子の形状を変化させることにより、出射部４の面内の回折効率分布を自由に設計し変化させることができる。これにより、光の利用効率が向上し、スムーズな輝度分布を得ることができる。

単位回折格子５１を構成する回折格子の形状の例について図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本技術の一実施形態に係る単位回折格子５１を構成する回折格子の形状の例を示す簡略斜視図である。

図１０Ａは、基本となる回折格子の形状の例である。

図１０Ｂは、図１０Ａに示される基本となる回折格子に対して、幅を変化させた形状の例である。幅の長さは、この図に限られない。

図１０Ｃは、図１０Ａに示される基本となる回折格子に対して、突起を形成した形状の例である。この突起が形成される位置や突起の大きさは、この図に限られない。

図１０Ｄは、図１０Ａに示される基本となる回折格子に対して、出射部４の面内で回転させた形状の例である。回転させる角度や回転方向は、この図に限られない。

図１０Ｅは、図１０Ａに示される基本となる回折格子に対して、回折格子の一部を削除した形状の例である。削除する位置や大きさは、この図に限られない。

図１０Ｆは、図１０Ａに示される基本となる回折格子に対して、回折格子を分割した形状の例である。これにより、新たな回折格子周期を追加し、ピッチを整数で割った値にすることができる。つまり、格子ベクトルの大きさを整数倍にすることができる。分割する位置はこの図のように略中央でなくてもよい。例えばメタサーフェスで実現されているような、格子ベクトルの大きさが整数倍にならない構成であってもよい。

また、例えば、少なくとも一部が曲線になっている形状の回折格子が形成されてもよい。

さらに、出射部４の面に対する高さ方向に対して形状を変化させた回折格子が設計されてもよい。例えば、複数の高さを有する回折格子、階段状に形成されている回折格子、又はテーパ状に形成されている回折格子などが形成されることができる。

単位回折格子５１を構成する回折格子の形状は上記に限られない。また、上記に示すそれぞれの形状が組み合わされることができる。

単位回折格子５１を構成する回折格子は、例えば高屈折率の樹脂などでコーティングされていてもよい。異なる屈折率の樹脂をコーティングすることにより、回折効率を変化させることができる。

本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例について図１１を参照しつつ説明する。図１１は、本技術の一実施形態に係る回折格子の設計例を示す波数空間座標である。

格子ベクトルＶ１は、出射部４の右上端部に配されている回折格子群５ｂ（図３参照）、又は、左下端部に配されている回折格子群５ｇ、が有する回折格子の格子ベクトルを示している。この回折格子は、基本格子ベクトルＯ１，Ｏ２の略２倍の格子ベクトル長を有しており、出射部４の内側方向に光を回折することができる。

格子ベクトルＶ２は、出射部４の左上端部に配されている回折格子群５ｊ、又は、右下端部に配されている回折格子群５ｅ、が有する回折格子の格子ベクトルを示している。この回折格子は、基本格子ベクトルＯ１，Ｏ２の略２倍の格子ベクトル長を有しており、出射部４の内側方向に光を回折することができる。

格子ベクトルＶ３は、出射部４の略中央下端部に配されている回折格子群５ｆが有する回折格子の格子ベクトルを示している。この回折格子は、基本格子ベクトルＯ１，Ｏ２の略２倍の格子ベクトル長を有しており、出射部４の内側方向に光を回折することができる。

格子ベクトルＶ４は、出射部４の略中央左端部に配されている回折格子群５ｉ、又は、略中央右端部に配されている回折格子群５ｄ、が有する回折格子の格子ベクトルを示している。この回折格子は、基本格子ベクトルＯ１及び基本格子ベクトルＯ２が足しあわされた格子ベクトル長を有しており、出射部４の内側方向に光を回折することができる。

本技術の第１の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［２．第２の実施形態（導光板の例２）］
回折格子群５の形状は、図３に示されるような正方形に限られない。このことについて図１２を参照しつつ説明する。図１２は、本技術の一実施形態に係る回折格子群５の構成例を示す簡略正面図である。

図１２Ａに示されるとおり、回折格子群５の形状は、例えばひし形であってもよい。図１２Ｂに示されるとおり、回折格子群５の形状は、例えば三角形であってもよい。図１２Ｃに示されるとおり、回折格子群５の形状は、例えば六角形であってもよい。その他、回折格子群５の形状は、例えば五角形などの多角形、角が丸くなっている多角形、円形、又は楕円形などであってもよい。

回折格子群５の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっていてよい。このことについて図１３を参照しつつ説明する。図１３は、本技術の一実施形態に係る回折格子群５の構成例を示す簡略正面図である。図１３に示されるとおり、出射部４の略中央に配されている回折格子群５ａの形状はひし形になっている。出射部４の右上側に配されている回折格子群５ｂの形状は三角形になっている。出射部４の右上側に配されている回折格子群５の面積は、出射部４の略中央に配されている回折格子群５の略半分になっている。これにより、出射部４の右上側に配されている回折格子群５は、より高精度に光を回折することができる。

本技術の第２の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［３．第３の実施形態（導光板の例３）］
単位回折格子５１が、ホールパターン又はピラーパターンであってよい。このことについて図１４を参照しつつ説明する。図１４は、本技術の一実施形態に係る単位回折格子５１の構成例を示す簡略平面図である。

図１４Ａは、単位回折格子５１がホールパターンである構成例を示している。色が黒い部分が、手前に突出している部分である。この図では４つのホール（穴）が形成されている。

図１４Ｂは、単位回折格子５１がピラーパターンである構成例を示している。この図では４つのピラー（柱）が形成されている。ホールパターン及びピラーパターンは、例えば製造コストや必要とする回折効率などに応じて選択されることができる。

なお、ホールパターンの単位回折格子５１と、ピラーパターンの単位回折格子５１と、が組み合わされて構成されてもよい。

本技術の第３の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［４．第４の実施形態（導光板の例４）］
第１の実施形態のように、一方向に光を回折する回折格子群５が出射部４の端部に配されていてもよいし、配されていなくてもよい。このことについて図１５を参照しつつ説明する。図１５は、本技術の一実施形態に係る出射部４の構成例を示す簡略平面図である。

図１５Ａでは、第１の実施形態のように、一方向に光を回折する回折格子群５ｎが出射部４の端部に配されている。この回折格子群５ｎは、図３における回折格子群５ｄ，５ｆ，５ｉのように周期構造が縞状に形成されており、光を一方向に回折する作用が優先されている。

出射部４の内側に配されている回折格子群５ｍは、配されている位置に応じて、導かれた光を回折して外側に広げたり、内側に回折して光の利用効率を向上させたり、観察者の瞳に出射したりする。

図１５Ｂでは、一方向に光を回折する回折格子群５が出射部４の端部に配されていない。それぞれの回折格子群５は、配されている位置に応じて、導かれた光を回折して外側に広げたり、内側に回折して光の利用効率を向上させたり、観察者の瞳に出射したりする。

本技術の第４の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［５．第５の実施形態（導光板の例５）］
出射部４は、導光板１の一方又は両方の面に配されていてよい。このことについて図１６を参照しつつ説明する。図１６は、本技術の一実施形態に係る導光板１の構成例を示す簡略側面断面図である。

図１６Ａに示されるとおり、出射部４は、導光板１の一方の面のみに配されていてよい。これにより、製造プロセスが簡略化されて、製造コストが低減される。

図１６Ｂに示されるとおり、出射部４は、導光板１の両方の面に配されていてよい。これにより、設計の自由度がより増加する。その結果、光の利用効率の向上や、輝度分布の改善などが可能となる。例えば、一方の面に配されている出射部４が導光板１内部の光を導く方向をコントロールして、他方の面に配されている出射部４が光を観察者の瞳に出射することなどが可能となる。

なお、入射部２及び出射部４が配置される位置はこれに限られない。入射部２及び出射部４のそれぞれが同じ面に配されていてもよいし、異なる面に配されていてもよい。透過型の回折格子を使用するか、あるいは反射型の回折格子を使用するかによって配置される位置が異なる。

本技術の第５の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［６．第６の実施形態（導光板の例６）］
出射部４が、入射部２と、導光板１の厚さ方向に同じ又は異なる位置に配されていてよい。導光板１が、一つ又は複数の入射部２と、一つ又は複数の出射部４と、を備えていてよい。このことについて図１７を参照しつつ説明する。図１７は、本技術の一実施形態に係る導光板１の構成例を示す簡略側面断面図である。

図１７Ａに示されるとおり、出射部４が、入射部２と異なる面に配されていてよい。この構成例では、出射部４が導光板１の内部に配されている。

図１７Ｂ、図１７Ｃ、及び図１７Ｅに示されるとおり、導光板１が、一つの入射部２と、複数の出射部４ａ，４ｂと、を備えていてよい。図１７Ｂに示されている構成例では、入射部２と、出射部４ａと、が、同じ面に配されており、導光板１の表面に配されている。出射部４ｂが導光板１の内部に配されている。図１７Ｃに示されている構成例では、出射部４ａ，４ｂが導光板１の内部に配されている。図１７Ｅに示されている構成例では、出射部４ａが導光板１の内部に配されており、出射部４ｂが導光板１の表面に配されている。

図１７Ｄに示されている構成例では、入射部２と、出射部４と、が導光板１の内部に配されている。入射部２と、出射部４と、の導光板１の厚さ方向の位置は同じでもよいし異なっていてもよい。

図１７Ｆに示されるとおり、導光板１が、複数の入射部２ａ，２ｂと、複数の出射部４ａ，４ｂ，４ｃと、を備えていてよい。また、複数の導光板１が備えられていてもよい。この構成例では、導光板１ａの表面に入射部２ａが配されており、導光板１ａの内部に出射部４ａが配されている。導光板１ｂの内部に出射部４ｂ及び入射部２ｂが配されている。導光板１ｃの表面に出射部４ｃが配されている。導光板１ａ，１ｂ，１ｃがこの順に配されて積層されている。例えば導光板１ａ，１ｃは高屈折率の材料を含み、導光板１ｂは低屈折率の材料を含むことができる。このような構成例であることにより、導光板１は、波長が互いに異なる複数の光を観察者の瞳に出射できる。その結果、カラー化や高画角化などが可能となる。なお、導光板１の長さ方向の入射部２ａ，２ｂの位置は同じでもよいし、異なっていてよい。入射部２ａ，２ｂの位置が異なっていることにより、波長が互いに異なる複数の光が入射される位置が異なる。その結果、クロストークの発生を低減できる。

このように、出射部４は、導光板１の表面に配されてもよいし、導光板１の厚さ方向の様々な位置に配されてもよい。

なお、入射部２及び出射部４のそれぞれが配置される位置や、導光板１、入射部２、及び出射部４のそれぞれの数は上記の構成例に限定されない。上記の構成例が組み合わされることもできる。

本技術の第６の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［７．第７の実施形態（導光板の例７）］
入射部２及び出射部４が配置される位置は特に限定されない。このことについて図１８を参照しつつ説明する。図１８は、本技術の一実施形態に係る入射部２及び出射部４の構成例を示す簡略正面図である。

図１８Ａ、図１８Ｄ、及び図１８Ｆに示される構成例のように、入射部２及び出射部４が互いに離れて配されていてよい。入射部２は、出射部４の内部に配されることもできる。

あるいは、図１８Ｂ、図１８Ｃ、及び図１８Ｅに示される構成例のように、入射部２及び出射部４が互いに接して配されていてよい。入射部２は、出射部４の内部に配されることもできる。

なお、図示を省略するが、図４に示されるように、一方向に光を回折する回折格子群５ｎが出射部４の端部にさらに配されていてもよい。

本技術の第７の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［８．第８の実施形態（導光板の例８）］
本技術は、前記入射部と前記出射部との間に拡張部をさらに備えており、前記拡張部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、該複数の回折格子群が、正面視において、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、導光板を提供する。

入射部２、出射部４、及び拡張部６が備えている回折格子が有する格子ベクトルについて図１９を参照しつつ説明する。図１９は、本技術の一実施形態に係る入射部２、出射部４、及び拡張部６が備えている回折格子が有する格子ベクトルの例を示す概念図である。図１９に示されるとおり、本技術の一実施形態に係る導光板１は、入射部２と出射部４との間に拡張部６をさらに備えている。

拡張部６は、２次元に配されている複数の回折格子群を有している。該複数の回折格子群が、正面視において、前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、前記光を前記出射部方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる。これにより、光の利用効率が向上し、かつ、出射部４に入射される光が広がる。

また、拡張部６と、出射部４と、が互いに隣接して配されている。隣接して配されている互いの前記回折格子群は、略同一方向の格子ベクトルを有するため、これが実現できている。これにより、回折格子群間にスペースを確保する必要がない。その結果、導光板１の小型化に貢献できる。

なお、図示を省略するが、第７の実施形態と同様に、入射部２及び拡張部６が互いに離れて配されていてもよいし、互いに接して配されていてもよい。

本技術の第８の実施形態に係る導光板について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

［９．第９の実施形態（画像表示装置の例）］
本技術は、上記の第１から第６に係る導光板と、前記導光板に画像光を出射する画像形成部と、を備えている、画像表示装置を提供する。このことについて図２０を参照しつつ説明する。図２０は、本技術の一実施形態に係る画像表示装置１０の構成例を示すブロック図である。図２０に示されるとおり、本技術の一実施形態に係る画像表示装置１０は、導光板１と、導光板１に画像光を出射する画像形成部７と、を備えている。

画像形成部７は、画像光を形成する。画像形成部７は、画像形成部７内で映像を作り出すためにマイクロパネルを使うことが可能である。このマイクロパネルは、例えばマイクロＬＥＤやマイクロＯＬＥＤのような自発光パネルを用いてもよい。反射型もしくは透過型液晶を用いて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源やＬＤ（Laser Diode）光源などを照明光学系と組み合わせて使用してもよい。

画像形成部７から出射された画像光は、例えば投射レンズ（図示省略）などにより略平行光に変換されて入射部２に集光されて、導光板１に入射される。

画像表示装置１０は、ユーザの頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などでありうる。あるいは、画像表示装置１０は、インフラとして所定の場所に配置されてもよい。

本技術の第９の実施形態に係る画像表示装置について説明した上記の内容は、技術的な矛盾が特にない限り、本技術の他の実施形態に適用できる。

なお、本技術に係る実施形態は、上述した各実施形態及に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

また、本技術は、以下のような構成をとることもできる。
［１］
入射される光を導光板内部に回折する入射部と、
前記入射部が前記導光板内部に回折した前記光を内部全反射して導光する経路と、
前記経路が導光した前記光を回折して観察者の瞳に出射する出射部と、を備えており、
前記出射部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、
前記複数の回折格子群が、正面視において、
前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、
前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、
前記光を観察者の瞳方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、導光板。
［２］
前記回折格子が、前記光を２次元方向に回折する、
［１］に記載の導光板。
［３］
前記入射部が有する格子ベクトルと、前記出射部が有する基本格子ベクトルの和が閉じている、
［１］又は［２］に記載の導光板。
［４］
隣接して配されている互いの前記回折格子群が、略同一方向の格子ベクトルを有している、
［１］から［３］のいずれか一つに記載の導光板。
［５］
前記回折格子群が、２次元に配されている複数の単位回折格子を有している、
［１］から［４］のいずれか一つに記載の導光板。
［６］
前記単位回折格子が、前記出射部が有する回折格子の周期構造の組み合わせからなる、
［５］に記載の導光板。
［７］
前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の一方から他方に向かうにつれて略連続的に変化している
［５］又は［６］に記載の導光板。
［８］
前記回折格子群の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっている、
［１］から［７］のいずれか一つに記載の導光板。
［９］
前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっている、
［５］から［８］のいずれか一つに記載の導光板。
［１０］
前記回折格子群が、前記光を前記出射部の内側方向に回折する戻し回折格子を含んでおり、
前記戻し回折格子のピッチが、前記出射部が有する他の回折格子のピッチを整数で割った値である、
［１］から［９］のいずれか一つに記載の導光板。
［１１］
前記戻し回折格子を含む回折格子群が、前記経路からの光が入射される領域の外側であり、かつ、前記出射部の外周囲に配されている、
［１０］に記載の導光板。
［１２］
前記戻し回折格子が、縞状の周期構造を有している、
［１０］又は［１１］に記載の導光板。
［１３］
前記単位回折格子が、ホールパターン又はピラーパターンである、
［５］から［１２］のいずれか一つに記載の導光板。
［１４］
前記出射部が、前記導光板の一方又は両方の面に配されている、
［１］から［１３］のいずれか一つに記載の導光板。
［１５］
前期出射部が、前記入射部と、導光板の厚さ方向に同じ又は異なる位置に配されている、
［１］から［１４］のいずれか一つに記載の導光板。
［１６］
一つ又は複数の前記入射部と、
一つ又は複数の前記出射部と、を備えている、
［１］から［１５］のいずれか一つに記載の導光板。
［１７］
前記入射部と前記出射部との間に拡張部をさらに備えており、
前記拡張部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、
該複数の回折格子群が、正面視において、
前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、
前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、
前記光を前記出射部方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、
［１］から［１６］のいずれか一つに記載の導光板。
［１８］
前記拡張部と、前記出射部と、が互いに隣接して配されている、
［１７］に記載の導光板。
［１９］
［１］から［１８］のいずれか一つに記載の導光板と、
前記導光板に画像光を出射する画像形成部と、を備えている、画像表示装置。

１ 導光板
２ 入射部
３ 経路
４ 出射部
５ 回折格子群
５１ 単位回折格子
６ 拡張部
７ 画像形成部
１０ 画像表示装置

Claims (19)

1. 入射される光を導光板内部に回折する入射部と、
   前記入射部が前記導光板内部に回折した前記光を内部全反射して導光する経路と、
   前記経路が導光した前記光を回折して観察者の瞳に出射する出射部と、を備えており、
   前記出射部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、
   前記複数の回折格子群が、正面視において、
   前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、
   前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、
   前記光を観察者の瞳方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、導光板。
2. 前記回折格子が、前記光を２次元方向に回折する、
   請求項１に記載の導光板。
3. 前記入射部が有する格子ベクトルと、前記出射部が有する基本格子ベクトルの和が閉じている、
   請求項１に記載の導光板。
4. 隣接して配されている互いの前記回折格子群が、略同一方向の格子ベクトルを有している、
   請求項１に記載の導光板。
5. 前記回折格子群が、２次元に配されている複数の単位回折格子を有している、
   請求項１に記載の導光板。
6. 前記単位回折格子が、前記出射部が有する回折格子の周期構造の組み合わせからなる、
   請求項５に記載の導光板。
7. 前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の一方から他方に向かうにつれて略連続的に変化している、
   請求項５に記載の導光板。
8. 前記回折格子群の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっている、
   請求項１に記載の導光板。
9. 前記単位回折格子の形状が、前記出射部の面内の位置に応じて異なっている、
   請求項５に記載の導光板。
10. 前記回折格子群が、前記光を前記出射部の内側方向に回折する戻し回折格子を含んでおり、
    前記戻し回折格子のピッチが、前記出射部が有する他の回折格子のピッチを整数で割った値である、
    請求項１に記載の導光板。
11. 前記戻し回折格子を含む回折格子群が、前記経路からの光が入射される領域の外側であり、かつ、前記出射部の外周囲に配されている、
    請求項１０に記載の導光板。
12. 前記戻し回折格子が、縞状の周期構造を有している、
    請求項１０に記載の導光板。
13. 前記単位回折格子が、ホールパターン又はピラーパターンである、
    請求項５に記載の導光板。
14. 前記出射部が、前記導光板の一方又は両方の面に配されている、
    請求項１に記載の導光板。
15. 前期出射部が、前記入射部と、導光板の厚さ方向に同じ又は異なる位置に配されている、
    請求項１に記載の導光板。
16. 一つ又は複数の前記入射部と、
    一つ又は複数の前記出射部と、を備えている、
    請求項１に記載の導光板。
17. 前記入射部と前記出射部との間に拡張部をさらに備えており、
    前記拡張部が、２次元に配されている複数の回折格子群を有しており、
    該複数の回折格子群が、正面視において、
    前記光を前記出射部の外側方向に回折する回折格子と、
    前記光を前記出射部の内側方向に回折する回折格子と、
    前記光を前記出射部方向に回折する回折格子と、のうち少なくとも一つを含んでいる、
    請求項１に記載の導光板。
18. 前記拡張部と、前記出射部と、が互いに隣接して配されている、
    請求項１５に記載の導光板。
19. 請求項１に記載の導光板と、
    前記導光板に画像光を出射する画像形成部と、を備えている、画像表示装置。