WO2007116745A1 - 透過型回折素子及びこれを用いた眼球投影型表示装置 - Google Patents
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- H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
Definitions
- the present invention relates to a transmissive diffraction grating, and more particularly to a transmissive diffraction element used for enlarging the diameter of an exit pupil in an eyeball projection display device or the like.
- a head-mounted display capable of enjoying a large screen in a virtual space.
- a small liquid crystal display element is incorporated in goggles and attached to the head, and an image projected on the liquid crystal display element is condensed by a convex lens and is imaged on the retina (see, for example, Patent Document 1).
- a display device has been developed that projects an image from the dashboard of a car onto the windshield and focuses the reflected light reflected by the windshield power on the retina.
- FIG. 15 (a) is a schematic diagram for explaining an eyeball projection display device in which a goggle incorporating a liquid crystal display is attached to the head to form an image on the retina.
- the illumination system 101 irradiates the liquid crystal display element 100 from behind, and the image displayed on the liquid crystal display element 100 is condensed by the convex lens 102 and formed on the retina 104 of the user's eyeball 103.
- the convex lens 102 has a small numerical aperture in order to suppress the aberration. Therefore, the diameter of the exit pupil 120 of the optical system including the liquid crystal display element 100 and the convex lens 102 is small. When the exit pupil 120 and the pupil 106 coincide as shown in FIG.
- the images of the points P1 and P2 on the liquid crystal display element 100 pass through the pupil 106 and the points Pl ′ and P2 ′ on the retina 104 To form an image.
- the surrounding image can be observed.
- FIG. 15B when the user rotates the eyeball, the position between the exit pupil 120 and the pupil 106 is shifted. For this reason, the peripheral image is kicked, and in an extreme case, it is difficult to recognize the image.
- FIG. 16 (a) shows the state where the incident light is split and emitted using two diffraction gratings. Light incident from the left side is diffracted by the first diffraction grating 107 and diffracted again by the second diffraction grating 108 to be parallel light. Convex It is arranged between the lens 102 and the eyeball 103 so that the diameter of the exit pupil 120 is enlarged. As shown in FIG.
- FIG. 16C is a cross-sectional view of the diffraction element 110 used in this type of display device.
- a diffraction grating having a rectangular uneven portion 112 is formed on the surface of a translucent substrate 111.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 7-72422
- Patent document 2 JP-A-8-184779
- a diffraction grating used as a dividing element of an eyeball projection display device needs to be designed to satisfy the light intensity balance and color balance of each diffracted light. That is, it is necessary to appropriately set the light intensity balance between the 0th-order folded light having a diffraction angle of 0 ° and the ⁇ 1st-order diffracted light having a diffraction angle.
- the light intensity of the light diffracted by the diffraction grating has wavelength dependency.
- ⁇ 1st order diffracted light when using ⁇ 1st order diffracted light as split light to enlarge the exit pupil, the light intensity of a specific color is strong and the light intensity of other colors is weak at each wavelength of red, green, and blue In this case, the color balance of the image around the point P2 ′ projected on the retina is lost. As a result, the observer cannot see natural images. Therefore, it is necessary to maintain the light intensity balance between the 0th-order diffracted light and the ⁇ 1st-order diffracted light and also to maintain the color balance.
- a rectangular diffractive element as shown in Fig. 16 (c) is used. In some cases, the rectangular shape had to be manufactured with extremely high accuracy of several tens of nanometers in the lattice pitch direction and several nanometers in the lattice depth direction.
- a bottom portion of the uneven portions is provided in a transmissive diffraction element in which uneven portions are periodically formed on a surface of a light-transmitting substrate.
- the side part between the upper side part and the upper side part has a predetermined inclination angle inclined with respect to the normal of the surface
- a transmissive diffraction element is obtained.
- the side portion between the upper side portion and the bottom side portion of the periodic concavo-convex portion has a trapezoidal shape having a predetermined inclination angle that is inclined with respect to the direction perpendicular to the surface. Therefore, when the base material of the diffractive element is poured into the mold and cooled or reacted, and then released, the release is facilitated, and the manufacturing tolerance is large, so that the manufacture is facilitated. It has the advantage of Also, when silicon oxide is used for the base material and it is manufactured by wet etching or dry etching, the manufacturing tolerance is increased, so that the manufacturing is facilitated.
- the concavo-convex portion may be periodically formed in two directions perpendicular to each other on the surface, and may be a transmissive diffraction element.
- the concavo-convex portion is formed on the light-exiting surface from which the incident light exits from the translucent substrate, with respect to the translucent substrate. ! It can also be used as a transmissive diffractive element.
- the transmissive diffraction element of the present invention when the translucent substrate is silicon oxide or when the refractive index of the translucent substrate is approximately 1.45, the inclination angle is A transmissive diffraction element having a range of 17 ° to 55 ° may be used.
- the transmissive diffraction element of the present invention when the translucent substrate is an acrylic resin, or when the refractive index of the translucent substrate is approximately 1.49, the tilt angle is 10 ° to 75 ° A transmission type diffractive element in the range may be used.
- transmissive diffraction element of the present invention when the translucent substrate is a cycloolefin resin or when the refractive index of the translucent substrate is approximately 1.53, A transmission type diffraction element having an angle in the range of 2 ° to 55 ° may be used.
- the pitch of the uneven portion is P
- the length of the bottom side is L
- the depth of the bottom side with respect to the top side is D.
- the depth D is in the range of 400 nm to 600 nm
- the duty ratio DR is LZP
- the duty ratio DR is in the range of 0.2 to 0.3 or 0.7 to 0.8. It may be an element.
- the depth of the concavo-convex portion is in the range of 400 nm to 600 nm and the duty ratio is in the range of DRO. 2 to 0.3 or 0.7 to 0.8.
- the depth D may be a transmission diffraction element having a range of 500 nm to 570 nm.
- the depth of the concavo-convex part is 500 ⁇ ! Since it is in the range of ⁇ 570 nm, there is an advantage that diffracted light with a good balance of light intensity and color between 0th order diffracted light and ⁇ 1st order diffracted light can be obtained.
- a video projection unit that projects a video
- An optical part for introducing the image into the user's eyeball, and an emission formed by the optical part An eyeball projection type display device comprising a diffractive part for enlarging the pupil, wherein the diffractive part has irregularities periodically formed on the surface of the translucent substrate,
- the side part between the upper side part and the upper side part is a transmissive diffractive element having a predetermined inclination angle inclined with respect to the normal of the surface.
- the video projection unit, the optical unit that introduces the projected image from the video projection unit into the eyeball, and the exit pupil formed by the optical unit are enlarged.
- a periodic uneven part is formed on the surface of the translucent substrate as the diffraction part, and the side part between the top part and the bottom part is formed.
- Has a predetermined inclination angle with respect to the perpendicular so that it is easy to manufacture and can display a color-balanced image even when the eyeball is rotated. .
- the trapezoid having a predetermined inclination angle that inclines the side portion between the upper side portion and the bottom side portion of the periodic uneven portion with respect to the surface in the vertical direction.
- the eyeball projection display device of the present invention it is easy to manufacture, and even if the eyeball is rotated, an image having a color balance can be visually recognized by the user.
- FIG. 1 is a perspective view of a diffraction element according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining diffraction of the diffraction grating according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a perspective view of a diffraction element according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is an explanatory view showing irregularities on the surface of the diffraction element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a graph showing diffraction depth versus diffraction efficiency of a diffraction element according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a graph showing diffraction depth versus diffraction efficiency of a diffraction element according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 7 is a graph showing diffraction depth versus diffraction efficiency of the diffraction element according to the embodiment of the present invention. is there.
- FIG. 8 is a graph showing diffraction depth versus diffraction efficiency of a diffraction element according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a graph showing the deviation of the grating depth versus the deviation of the diffraction element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a graph showing the tilt angle of the diffractive element according to the embodiment of the present invention versus the allowable depth error of the grating.
- FIG. 11 is a graph showing the tilt angle of the diffractive element according to the embodiment of the present invention versus the depth tolerance of the grating.
- FIG. 12 is a graph showing the tilt angle of the diffractive element according to the embodiment of the present invention versus the depth tolerance of the grating.
- FIG. 13 is an explanatory view showing an eyeball projection type liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 14 is a block diagram showing an eyeball-type liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 15 is an explanatory view showing a conventionally known head-mounted image display device.
- FIG. 16 is an explanatory view showing a conventionally known head-mounted image display device and diffraction element. Explanation of symbols
- FIG. 1 is a perspective view of a diffraction element 1 showing an embodiment of the present invention.
- Convex portions 3 and concave portions 4 are periodically formed in the X direction on the surface of the translucent substrate 2.
- a side portion 5 is formed between the upper side portion of the convex portion 3 and the bottom side portion of the concave portion 4 and has an inclination angle inclined with respect to the vertical direction. That is, the convex portion has a trapezoidal cross section.
- translucent glass or translucent resin can be used as the material of the translucent substrate 2 of the diffraction element 1.
- translucent glass or translucent resin can be used.
- silicon dioxide (SiO 2), acrylic resin (PMMA), cycloolefin resin (COP), or the like can be used.
- this type of diffraction element 1 is formed into a mold by pouring a translucent base material into a mold composed of a mold or the like in which a grating is formed in advance by cutting or lithography, and cooling or reacting. It is manufactured by a method of transferring the formed grating to a translucent substrate. Periodically formed concave and convex parts are trapezoidal with the side part 5 between the upper side part 6 and the bottom side part 7 inclined, so that it is easy to release the translucent substrate from the mold. It becomes.
- FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining diffraction of light with respect to incident light of the diffraction element 1.
- the same reference numerals are given to the same parts or parts having functions.
- the light incident in the z direction is separated into zero-order diffracted light, ⁇ first-order diffracted light having a diffraction angle ⁇ (hereinafter collectively referred to as first-order diffracted light), and higher-order diffracted light according to the black diffraction conditions.
- V, 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light are handled, and higher-order diffracted light is ignored! /, Ru.
- the exit pupil diameter is increased using this first-order diffracted light.
- gratings are periodically formed in the X direction. Therefore, the first-order diffracted light spreads in the X direction.
- FIG. 3 is a perspective view of the diffraction element 1 showing another embodiment of the present invention.
- symbol was attached
- convex portions 3 and concave portions 4 are periodically formed on the surface of the translucent substrate 2 in the X direction and the y direction. Therefore, the light transmitted through the translucent substrate 2 is diffracted in two directions orthogonal to the X direction and the y direction.
- the exit pupil diameter is enlarged in the horizontal and vertical directions. Note that Fig.
- FIG. 3 shows an example in which the concavo-convex portions are formed in two orthogonal directions, and the ridge-shaped convex portion 3 is formed in a hexagon, and the concavo-convex portions may be formed in three directions that are different by 60 degrees.
- the trapezoidal convex portions 3 may be formed concentrically.
- FIG. 4 shows the shape of the concavo-convex portion of one cycle in the X direction of the diffraction element 1 shown in FIG.
- the same reference numerals are given to the same parts or parts having functions.
- the pitch of one cycle is P
- the length of the base 7 of the recess 4 is L
- the depth of the base 7 with respect to the top 6 is D
- the inclination angle of the side 5 with respect to the vertical is 0.
- FIG. 5 is a graph showing the relationship between the grating depth D of the diffraction element 1 and the diffraction efficiency when the duty ratio DR is 0.90.
- the vertical axis represents the diffraction efficiency and the horizontal axis represents the grating depth D.
- the diffraction efficiency means the ratio of the energy of outgoing light to the energy of incident light.
- the depth D being 0 means that no diffraction grating is formed on the surface of the translucent substrate 2. From Fig. 5, when the depth D is changed from 0 to lOOOnm, the diffraction efficiency of the 0th order diffracted light is 60% for any light of red (R), green (G), and blue (B).
- FIG. 6 is a graph showing the relationship between the grating depth D of the diffraction element 1 and the diffraction efficiency when the duty ratio DR is 0.75.
- the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light decreases as the grating depth D decreases from lOOnm to 400nm, decreases most from 400nm to 600nm, and gradually increases from 600nm to: LOOOnm.
- the diffraction efficiency of 1st-order diffracted light is opposite to 0th-order diffracted light. Increase gradually to 400nm, 400 ⁇ ! It becomes maximum at ⁇ 600nm, and gradually decreases from 60Onm to 1000nm.
- both the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light have large variations in diffraction efficiency with respect to the light color.
- the depth D is in the range of approximately 400 nm to 600 nm, the diffraction efficiencies between the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light are almost equal.
- Depth D is 450 ⁇ ! In the range of ⁇ 550nm, the variation in diffraction efficiency for each color is small.
- the duty ratio DR is preferably set to approximately 0.73.
- FIG. 7 is a graph showing the relationship between the grating depth of the diffraction element 1 and the diffraction efficiency when the duty ratio DR is 0.5.
- the diffraction efficiency of the 0th order diffracted light is 400 ⁇ in the grating depth D! Within 10 nm, it is 10% or less.
- the diffraction efficiency of the 1st-order diffracted light shows a maximum value at a depth D force of 00 nm to 600 nm, which is about 40%. Therefore, the depth of the lattice D force 00 ⁇ ! ⁇ 6 1st order diffracted light is dominant around OOnm.
- FIG. 8 is a graph showing the relationship between the grating depth of the diffraction element 1 and the diffraction efficiency when the duty ratio DR is 0.25. In this case, the same characteristics as when the duty ratio DR is 0.75 are shown. When the duty ratio DR is 0.25, it corresponds to the case where the length of the bottom and top sides of the concavo-convex part is reversed.
- the duty ratio DR is set to 0.2.
- the grating depth D is preferably in the range of 400 nm to 600 nm, more preferably in the range of 450 nm to 550 nm.
- the duty ratio DR is preferably about 0.73, or about 0.27 in which the length of the side of the uneven portion is reversed.
- the transmissive diffraction grating using the translucent substrate 2 uses light interference based on the optical path difference between the transmitted light that passes through the bottom portion 7 and the transmitted light that passes through the upper portion 6. Yes. Therefore, it is necessary to form the grating depth D with high accuracy. Therefore, for the material of the translucent substrate 2 having a different refractive index, an allowable error representing an allowable error in forming the grating depth D was obtained by changing the inclination angle ⁇ . The larger this tolerance is, the easier it is to manufacture the diffraction element 1.
- the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light of the diffractive element 1 are required to maintain color balance for each of R, G, and B colors.
- diffractive element 1 is applied to an eyeball projection display device and the color balance of diffractive element 1 is lost, the recognized image becomes unnatural.
- So 0th order diffraction of G light The deviation of R light and B light is specified based on the ratio of the light and the first-order diffracted light, and the range of the inclination angle ⁇ where the color balance is not lost is obtained.
- the output light intensity of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light for each color of the incident light is defined as follows.
- RO Ratio of the 0th-order diffracted light intensity of R light to the incident light intensity incident on diffraction element 1 of R (red) light
- R1 The ratio of the first-order diffracted light intensity of R light to the incident light intensity incident on diffraction element 1 of R (red) light
- GO The ratio of the 0th-order diffracted light intensity of the G light to the incident light intensity incident on the diffraction element 1 of G (green) light
- G1 Ratio of the first-order diffracted light intensity of G light to the incident light intensity incident on diffraction element 1 of G (green) light
- B1 Ratio of the first-order diffracted light intensity of B light to the incident light intensity incident on diffraction element 1 for B (blue) light
- the deviation of R light is the value obtained by subtracting 1 from the value obtained by dividing the light intensity ratio of the first-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light of G by calculating the light intensity ratio of the first-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light of R. It is.
- B light when the deviation power SO of the R light is SO, it means that the ratio of the 1st order diffracted light of the G light and the 0th order diffracted light and the ratio of the 1st order diffracted light of the R light and the 0th order diffracted light are the same. To do. The same applies to B light.
- FIG. 9 is a graph showing the deviation (R 1) of the R light and the deviation (B 1) of the B light when the length L of the base 7 is 3 ⁇ m and the grating depth D is changed. is there.
- the horizontal axis shows the depth D of the lattice, and the vertical axis shows the deviation defined above.
- diffractive element 1 is applied to an eyeball projection display device, the color balance of the image is lost if the deviation exceeds 0.2. So this deviation is less than 0.2 It is necessary to suppress it.
- the deviation of blue B increases and the deviation of red R decreases as the grating depth D increases. From Figure 9, the depth D is 515 ⁇ ! In the range of ⁇ 526 ⁇ m, the deviation is less than 0.2 for any color.
- the allowable error of depth D is about l lnm.
- the preferable range of the depth D is 500 nm to 570 nm.
- the length L of the base 7 is preferably 3 ⁇ m and 100 ⁇ m! / ⁇ .
- Figure 10 shows the tolerance of the grating depth D when the tilt angle ⁇ is changed using silicon dioxide (refractive index n is approximately 1.45) as the translucent substrate 2. It is a graph showing. The multiple curves represent the tolerance when the duty ratio is fixed and the base length L is varied between 13. O ⁇ m-13. (The base length L is a is 13. O ⁇ m, b is 13. 1 ⁇ m, c force is 13.2 ⁇ ⁇ , d force is 13. 3 / ⁇ ⁇ , e force is 13.4 ⁇ ⁇ , f force is 13.5 / zm Is). From Fig. 10, the tolerance of depth D is small in the case of silicon dioxide. Among them, the range of the tilt angle ⁇ that can make the tolerance 10nm or more is approximately 17 ° to 55 °.
- FIG. 11 is a graph showing the tolerance of the grating depth D when the inclination angle ⁇ is changed using acrylic resin (refractive index n is approximately 1.49) as the translucent substrate. It is. The multiple curves are the same as in Figure 10 above. From Fig. 11, the range of tilt angle ⁇ where the allowable error can be 20 nm or more is approximately 10 ° to 75 °, and the range of tilt angle ⁇ where the allowable error can be 30 nm or more is approximately 15 ° to 65 The range of the inclination angle ⁇ that allows the tolerance to be 40 nm or more with respect to the length L of the specific base is approximately 22 ° to 52 °.
- FIG. 12 shows the depth of the grating when the tilt angle ⁇ is changed by using cycloolefin resin (refractive index n is approximately 1.5 3 with respect to the D line) as the translucent substrate 2.
- 3 is a graph showing an allowable error of D.
- the multiple curves are the same as in FIG. From Fig. 12, it is clear that the tolerance value of the grating depth D is larger than that of silicon dioxide or talyl resin. This is thought to be due to the fact that the refractive index of cycloolefin resin is higher than that of silicon dioxide or acrylic resin.
- the range of tilt angle ⁇ that can have an allowable error of 30 nm or more is approximately 2 ° to 55 °, and the range of tilt angle ⁇ that can have an allowable error of 40 nm or more is approximately 3 ° to 50 °. Tilting that allows the tolerance to be 50 nm or more for a specific base length L The range of the oblique angle ⁇ is approximately 5 ° to 38 °.
- a trapezoidal grating with an inclination angle is more allowable with a depth D than a rectangular grating with an inclination angle ⁇ of 0 °. Is big. Therefore, it is easier to manufacture a trapezoidal diffraction element than a rectangular diffraction element.
- the larger the refractive index the larger the tolerance, and the diffraction element 1 can be easily manufactured.
- the tolerance of the grating depth D can be increased. For example, even when silicon oxide is used as the translucent substrate 2, the graph e in Fig. 10 shows that the length L of the base 7 is 13.4 ⁇ m and the inclination angle ⁇ is approximately 25 °. If designed in the range of ⁇ 40 °, the tolerance can be increased to 15nm or more.
- FIG. 13 is an explanatory view showing an embodiment in which the transmission type diffraction element according to the present invention is applied to an eyeball projection type display device.
- An image projection unit is configured by the liquid crystal display element 11 and the illumination system 10 that irradiates the liquid crystal display element 11 with white light from the back.
- the image displayed on the liquid crystal display element 11 is introduced into the eyeball 14 by the optical unit including the convex lens 12 and the convex lens 13 and forms an image on the retina 15.
- a diffractive element 1 which is a diffractive portion is arranged between a convex lens 12 and a convex lens 13.
- the diffractive element 1 which is a diffractive portion has concave and convex portions periodically formed on the surface of the translucent substrate 2, and the side portion 5 between the top portion 6 and the bottom portion 7. Has a tilt angle.
- the image projected from the liquid crystal display element 11 is separated into 0th order diffracted light and 1st order diffracted light ( ⁇ 1st order diffracted light) by the diffractive element 1 through the convex lens 12, and the diameter of the exit pupil is enlarged. Even when the eyeball 14 is rotated, the diameter of the exit pupil is enlarged, so that the image of the point P2 around the liquid crystal display element 11 can be imaged on the retina 15 without being kicked.
- the formed image has high brightness uniformity and color balance.
- the diffractive element 1 can be used in place of the convex lens 13.
- the diffraction element 1 having the concavo-convex portions formed in two orthogonal directions is used as the diffraction element 1
- an image with little kicking is formed on the retina 15 even if the eyeball 14 is rotated to the upper left and right. I can do it.
- diffractive element 1 in which trapezoidal uneven portions are periodically formed on both the front and back surfaces of translucent substrate 2 can be used.
- an image projection unit such as a plasma display or an electo-luminance display can be used.
- This eyeball projection display device includes a video projection unit including a light source unit 40 including a light source and a video signal processing circuit, a horizontal scanning system 31 that scans an image in a horizontal direction, a vertical scanning system 32 that scans an image in a vertical direction, And an optical part comprising a lens system and a diffraction part comprising a diffraction element 1 for enlarging the exit pupil formed by the lens system. Furthermore, a wavefront curvature modulator 37 for modulating the wavefront curvature of the light beam emitted from the light source unit 40 through the optical fiber 39 is provided.
- This eyeball projection display device scans a light beam modulated in accordance with a video signal in a two-dimensional direction and directly displays an image on the network 15.
- the uneven portion is periodically formed on the surface of the translucent substrate 2, and the side edge between the upper side portion 6 and the bottom side portion 7 is formed.
- Part 5 has an inclination angle that inclines.
- the R laser driver 51, the G laser driver 52, and the B laser driver 53 of the light source unit 40 output luminance signals to the R laser 48, G laser 49, and B laser 50, respectively, and these laser powers also modulate the luminance of each color.
- the laser beam is output.
- the laser beams of the respective colors are synthesized by the optical coupling system 41 via the collimator lenses 45, 46, 47 and the dichroic mirrors 42, 43, 44, and output to the optical fiber 39.
- the light beam emitted from the optical fiber 39 is reflected by the beam splitter 33, further reflected by the reflection mirror 36 controlled by the wavefront curvature modulator 37, and the polygon mirror 30 (instead of the polygon mirror) via the converging lens 35.
- the light beam is horizontally scanned by the polygon mirror 30 and is passed through the front lens group 29, the diffractive element 1 having the trapezoidal convex portion according to the present embodiment, and the rear lens group 27 (galvano mirror 26 (polygon mirror). May be emitted).
- the galvanometer mirror 26 scans the incident light beam in the vertical direction.
- the vertical scanning system 23 is composed of a front lens group 24 and a rear lens group 25, and light beams scanned vertically and horizontally pass through the pupil 21 and form an image on the retina 15 of the eyeball 14.
- the diffraction pupil 1 having the trapezoidal convex portion increases the exit pupil diameter, and even if the eyeball 14 is rotated, the image of the peripheral portion can be suppressed from being kicked.
- the force described in the embodiment in which the diffraction element 1 according to the present invention is applied to an eyeball projection display device is not limited to this.
- it can be applied to a disk writing or reading device by a laser.
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Abstract
眼球投影型表示装置等に用いられる透光性回折素子は表面が矩形状の形状を有し、矩形の上辺部に対する底辺部の深さを数nmオーダーの精度で作製する必要があり、製造が容易ではなかった。 透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成された透過型回折素子において、前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有する台形形状とすることにより、格子の深さの許容誤差を大きくすることができるので、製造容易な回折素子を提供することができる。
Description
明 細 書
透過型回折素子及びこれを用いた眼球投影型表示装置
技術分野
[0001] 本発明は、透過型回折格子に関し、特に眼球投影型表示装置等において射出瞳 の径を拡大させるために用いられる透過型回折素子に関する。
背景技術
[0002] 近年、バーチャル空間ゃ大画面を楽しむことができるヘッドマウントディスプレイが 開発されている。この種の表示装置は、小型液晶表示素子をゴーグルに組み込んで 頭部に装着し、液晶表示素子に映し出される映像を凸レンズにより集光し網膜に結 像させる(例えば特許文献 1参照)。また、車のダッシュボードからフロントガラスに画 像を投影しフロントガラス力 反射される反射光を網膜に結像させる方式の表示装置 も開発されている。
[0003] 図 15 (a)は、液晶ディスプレイを組み込んだゴーグルを頭部に装着して網膜に画 像を結像させる眼球投影型表示装置を説明するための概略図である。照明系 101に より液晶表示素子 100を背後から照射して、液晶表示素子 100に表示された映像を 凸レンズ 102により集光し、使用者の眼球 103の網膜 104上に結像させる。しかし凸 レンズ 102は、その収差を抑えるために開口数を小さくしており、そのために液晶表 示素子 100と凸レンズ 102からなる光学系の射出瞳 120の径は小さい。図 15 (a)の ように射出瞳 120と瞳孔 106がー致する場合は、液晶表示素子 100の点 P1と点 P2 の画像は瞳孔 106を通過して網膜 104上の点 Pl '、 P2'として結像する。この場合は 周辺の画像まで観察することができる。し力し図 15 (b)に示すように、使用者が眼球 を回転させると射出瞳 120と瞳孔 106との間の位置がずれる。そのために周辺部の 画像に蹴られが生じて極端な場合は画像の認識が困難になる。
[0004] この眼球を回転させたときの画像の蹴られを防止するために、入射光に対して出射 光を分割する回折格子が用いられている。図 16 (a)は、 2枚の回折格子を用いて入 射光を分割して出射している状態を示す。左側から入射した光は第 1回折格子 107 により回折され、第 2回折格子 108により再び回折させて平行光としている。これを凸
レンズ 102と眼球 103との間に配置して射出瞳 120の径を拡大させるようにしている。 図 16 (b)に示すように眼球 103を回転しても液晶表示素子 100の中心部の点 P1及 び周辺部の点 P2の映像は網膜 104の点 P1 '及び点 P2'に結像する力 射出瞳 120 の拡大により点 P2'に到達する光量が増加する。これにより画像の欠けを防止するこ とができる。図 16 (c)は、この種の表示装置に使用される回折素子 110の断面図で ある。回折素子 110は透光性基板 111の表面に矩形状の凹凸部 112の回折格子が 形成されている。
特許文献 1:特開平 7— 72422号公報
特許文献 2 :特開平 8— 184779号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、この種の回折格子は極めて高精度に作製する必要がある。眼球投影 型表示装置の分割素子として用いられる回折格子は、各回折光の光強度バランス、 及び、色バランスを満たすように設計する必要がある。即ち、回折角が 0° の 0次回 折光と回折角を有する ± 1次回折光との間の光強度バランスは適切に設定する必要 がある。また、回折格子により回折された光の光強度は波長依存性を有する。例えば 、 ± 1次の回折光を分割光として利用して射出瞳の拡大を図る場合に、赤、緑、青の 各波長において特定の色の光強度が強ぐ他の色の光強度が弱い場合には、網膜 上に投影される点 P2'の周辺部の映像は色バランスが崩れることになる。その結果観 察者は自然な映像を見ることができなくなる。従って、 0次回折光と ± 1次回折光との 間の光強度バランスを保持するとともに色バランスも保持することが必要である力 上 記図 16 (c)のような矩形状の回折素子を用いた場合にはその矩形形状を格子ピッチ 方向では数 10nm、格子深さ方向では数 nmという極めて高精度に製造しなければ ならない、という課題があった。
課題を解決するための手段
[0006] 上記課題を達成するために、本発明の一つの観点によれば、透光性基材の表面 に凹凸部が周期的に形成された透過型回折素子において、前記凹凸部の底辺部と 上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有する
ことを特徴とする透過型回折素子とした。
[0007] このような構成とすることにより、周期的な凹凸部の上辺部と底辺部との間の側辺部 を表面に垂直方向に対して傾斜する所定の傾斜角を有する台形形状としたことによ り、回折素子の基材を型に流し込んで冷却し又は反応した後に離型する際に、この 離型を容易にし、また、製造上の許容誤差が大きいので製造が容易になる、という利 点を有する。また、基材にシリコン酸化物を用い、ウエットエッチングまたはドライエツ チングで作製する場合にも、製造上の許容誤差が大きくなるので、製造が容易にな る、という利点を有する。
[0008] また、本発明の透過型回折素子において、前記凹凸部が、前記表面において互い に直交する 2方向に周期的に形成されて 、る透過型回折素子としても良!、。
[0009] このような構成とすることにより、透光性基材の表面の互いに直行する 2方向に周期 的に凹凸部を有するので、 1回折素子により直交する 2方向の回折光を得ることがで きる、という利点を有する。
[0010] また、本発明の透過型回折素子において、前記凹凸部が、前記透光性基材にお Vヽて、入射光が前記透光性基材より出射する出射側表面に形成されて!ヽる透過型 回折素子としても良い。
[0011] このような構成とすることにより、透光性基材の出射側表面に回折格子を設けるよう にして 、るので、回折光が透光性基材の材料の違!、による屈折率の違いに影響を受 けず、光学設計が容易になる、という利点を有する。
[0012] また、本発明の透過型回折素子において、前記透光性基材がシリコン酸化物の場 合又は前記透光性基材の屈折率が略 1. 45の場合には前記傾斜角は 17° 〜55° の範囲である透過型回折素子としても良い。
[0013] このような構成とすることにより、透光性基材としてシリコン酸ィ匕物又は透光性基材 の屈折率を略 1. 45の材料を使用する場合に、側辺部の傾斜角を 17° 〜55° の範 囲としたので、回折素子を製造する上での許容誤差が大きくなり、製造が容易になる 、という利点を有する。
[0014] また、本発明の透過型回折素子において、前記透光性基材がアクリル榭脂の場合 又は前記透光性基材の屈折率が略 1. 49の場合には前記傾斜角は 10° 〜75° の
範囲である透過型回折素子としても良い。
[0015] このような構成とすることにより、透光性基材としてアクリル榭脂又は透光性基材の 屈折率を略 1. 49の材料を使用する場合に、側辺部の傾斜角を 10° 〜75° の範囲 としたので、回折素子を製造する上での許容誤差が大きくなり、製造が容易になる、 という利点を有する。
[0016] また、本発明の透過型回折素子にぉ 、て、前記透光性基材がシクロォレフィン榭 脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が略 1. 53の場合には前記傾斜角は 2° 〜 55° の範囲である透過型回折素子としても良い。
[0017] このような構成とすることにより、透光性基材としてシクロォレフイン榭脂又は透光性 基材の屈折率を略 1. 53の材料を使用する場合に、側辺部の傾斜角を 2° 〜55° の範囲としたので、回折素子を製造する上での許容誤差が大きくなり、製造が容易に なる、という利点を有する。
[0018] また、本発明の透過型回折素子において、前記凹凸部の 1周期のピッチを P、前記 底辺部の長さを L、前記上辺部に対する前記底辺部の深さを Dとした場合に、前記 深さ Dは 400nm〜600nmの範囲であり、デューティ比 DRを LZPとした場合に前記 デューティ比 DRは 0. 2〜0. 3又は 0. 7〜0. 8の範囲である透過型回折素子として も良い。
[0019] このような構成とすることにより、凹凸部の深さを 400nm〜600nmの範囲、デュー ティ比 DRO. 2〜0. 3又は 0. 7〜0. 8の範囲としたので、 0次回折光と ± 1次回折光 との間の光強度及び色のバランスのとれた回折光を得ることができる、という利点を有 する。
[0020] また、本発明の透過型回折素子において、前記深さ Dは 500nm〜570nmの範囲 である透過型回折素子としても良い。
[0021] このような構成とすること〖こより、凹凸部の深さを 500ηπ!〜 570nmの範囲としたの で、 0次回折光と ± 1次回折光との間の光強度及び色のバランスがよりとれた回折光 を得ることができる、という利点を有する。
[0022] さらに、本発明の眼球投影型表示装置においては、映像を投影する映像投影部と
、前記映像を使用者の眼球に導入する光学部と、前記光学部により形成される射出
瞳を拡大させるための回折部とを備えた眼球投影型表示装置であって、前記回折部 は、透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成され、前記凹凸部の底辺部と上辺 部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有する透過 型回折素子である。
[0023] このような構成とすることにより、映像投影部と、当該映像投影部カゝら投影された映 像を眼球に導入する光学部と、当該光学部により形成される射出瞳を拡大させる回 折部とを有する眼球投影型表示装置にぉ 、て、当該回折部として透光性基材の表 面に周期的な凹凸部を形成し、上辺部と底辺部との間の側辺部は垂線に対して所 定の傾斜角を有するようにしたので、製造が容易であり、かつ、眼球を回転させても 色バランスのとれた映像を視認することができる、 t 、う利点を有する。
発明の効果
[0024] 本発明に係る透過型回折素子によれば、周期的な凹凸部の上辺部と底辺部との 間の側辺部を表面に垂直方向に対して傾斜する所定の傾斜角を有する台形形状と したことにより、回折素子の基材を型に流し込んで冷却し又は反応した後に離型する 際に、この離型を容易にし、また、製造上の許容誤差が大きいので、製造を容易に行 うことができる。
[0025] また、本発明に係る眼球投影型表示装置によれば、製造が容易であり、かつ、眼球 を回転させても色バランスのとれた映像を使用者に対して視認させることができる。 図面の簡単な説明
[0026] [図 1]本発明の実施の形態に係る回折素子の斜視図である。
[図 2]本発明の実施の形態に係る回折格子の回折を説明するための説明図である。
[図 3]本発明の実施の形態に係る回折素子の斜視図である。
[図 4]本発明の実施の形態に係る回折素子の表面の凹凸を現す説明図である。
[図 5]本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフで ある。
[図 6]本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフで ある。
[図 7]本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフで
ある。
[図 8]本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフで ある。
[図 9]本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対偏差を表すグラフである
[図 10]本発明の実施の形態に係る回折素子の傾斜角対格子の深さ許容誤差を表す グラフである。
[図 11]本発明の実施の形態に係る回折素子の傾斜角対格子の深さ許容誤差を表す グラフである。
[図 12]本発明の実施の形態に係る回折素子の傾斜角対格子の深さ許容誤差を表す グラフである。
[図 13]本発明の実施の形態に係る眼球投影型液晶表示装置を表す説明図である。
[図 14]本発明の実施の形態に係る眼球投影型液晶表示装置を表すブロック図であ る。
[図 15]従来公知の頭部装着式映像表示装置を表す説明図である。
[図 16]従来公知の頭部装着式映像表示装置及び回折素子を表す説明図である。 符号の説明
1 回折素子
2 透光性基材
3 上辺部
4 底辺部
5 側辺部
10 照明系
11 液晶表示素子
12、 13 凸レンズ
14 眼球
15 網膜
発明を実施するための最良の形態
[0028] 以下、図面を用いて本発明に係る実施の態様を詳細に説明する。
[0029] 図 1は、本発明の実施の態様を示す回折素子 1の斜視図である。透光性基材 2の 表面の X方向に凸部 3と凹部 4が周期的に形成されている。凸部 3の上辺部と凹部 4 の底辺部との間には側辺部 5が形成され、垂直方向に対して傾斜する傾斜角を有す る。即ち、凸部はその断面が台形形状を有する。回折素子 1の透光性基材 2の材料 は、透光性ガラスや透光性榭脂を使用することができる。例えば二酸ィ匕シリコン (SiO )、アクリル榭脂(PMMA)、シクロォレフイン榭脂(COP)等を用いることができる。
2
[0030] なお、この種の回折素子 1は、切削加工ゃリソグラフィー加工により予め格子を形成 した金型等からなる型に透光性基材を流し込み、冷却し又は反応させて当該型に形 成された格子を透光性基材に転写する方法で製造される。周期的に形成された凹 凸部は、上辺部 6と底辺部 7との間の側辺部 5が傾斜する台形形状であるために、型 から透光性基材を抜き放す離型が容易となる。
[0031] 図 2は、回折素子 1の入射光に対する光の回折を説明するための説明図である。同 一の部分又は機能を有する部分には同一の符号を付した。 z方向に入射した光線は ブラックの回折条件に従って 0次回折光、回折角士 φを有する ± 1次回折光(以下総 称して 1次回折光という)、更に高次回折光に分離される。なお、本実施の形態にお V、ては 0次回折光と 1次回折光にっ 、て扱 、、高次回折光にっ 、ては無視して!/、る 。眼球投影型表示装置においてはこの 1次回折光を用いて射出瞳径の拡大を図る。 なお、図 1に示した回折素子 1は X方向に格子が周期的に形成されている。従って、 1 次回折光は X方向に広がる。
[0032] 図 3は、本発明の他の実施の態様を示す回折素子 1の斜視図である。なお、同一 の部分又は機能を有する部分には同一の符号を付した。図 3において、透光性基材 2の表面には X方向と y方向に凸部 3と凹部 4が周期的に形成されている。そのため、 透光性基材 2を透過する光は X方向と y方向の直交する 2方向に回折される。眼球投 影型表示装置に適用する場合は、射出瞳径は左右と上下の方向に拡大される。な お、図 3は直交する 2方向に凹凸部を形成した例である力 台形状の凸部 3を 6角形 に形成し、角度が 60づっ異なる 3方向に凹凸部を形成しても良いし、台形状の凸部 3を同心円状に形成してもよい。
[0033] 図 4は、図 1に示した回折素子 1の X方向について、 1周期の凹凸部形状を表して いる。同一の部分又は機能を有する部分には同一の符号を付した。ここで、一周期 のピッチを P、凹部 4の底辺部 7の長さを L、上辺部 6に対する底辺部 7の深さを D、垂 線に対する側辺部 5の傾斜角を 0とする。これらの 4つのパラメータにより回折格子の 形状が特定される。また、デューティ比 DR=LZPと定義する。
[0034] 図 5は、デューティ比 DRを 0. 90としたときの、回折素子 1の格子の深さ Dと回折効 率の関係を示すグラフである。縦軸が回折効率で横軸が格子の深さ Dを表す。ここで 、回折効率とは、入射光のエネルギーに対する出射光のエネルギーの割合をいう。 また、深さ Dが 0であるとは、透光性基材 2の表面に回折格子が形成されていないこと を意味する。図 5から、深さ Dを 0から lOOOnmに変化させたときに、 0次回折光は、 赤色 (R)、緑色 (G)、青色 (B)のいずれの光に対しても回折効率は 60%以上を有す る力 1次回折光は波長依存性が少なく回折効率は約 5%以下である。従って、デュ 一ティ比 DRが 0. 90では 1次回折光の回折効率が低ぐこの回折素子 1では射出瞳 径を拡大させることはできな 、。
[0035] 図 6は、デューティ比 DRを 0. 75としたときの、回折素子 1の格子の深さ Dと回折効 率の関係を示すグラフである。 0次回折光の回折効率は、格子の深さ Dが lOOnmか ら 400nmにかけて低下し、 400nm〜600nmにおいて最も低下し、 600nm〜: LOOO nmにかけて漸次増加する。 1次回折光の回折効率は、 0次回折光とは反対に格子 の深さ D力 Onn!〜 400nmにかけて漸次増加し、 400ηπ!〜 600nmで最大となり、 60 Onm〜1000nmに力けて漸次低下する。また、特に深さ Dが 600nm以上の領域に おいては 0次回折光及び 1次回折光ともに光の色に対する回折効率のバラツキが大 きくなる。また、深さ Dが概ね 400nm〜600nmの範囲では 0次回折光と 1次回折光と の間の回折効率がほぼ等しくなる。また深さ Dが 450ηπ!〜 550nmの範囲では各色 に対する回折効率のばらつきが小さい。よって、デューティ比 DRを略 0. 75とし、格 子の深さ Dを 400nm〜600nmの範囲に、より好ましくは 450nm〜550nmの範囲に 設定することにより、各色に対する回折効率をほぼ同程度とすることができる。更に、 0次回折光と 1次回折光との回折効率、即ち回折光の光強度を同程度とすることがで きる。 0次回折光と 1次回折光との間の光強度を同程度とすることにより、光強度むら
の少ない眼球投影型表示装置の設計が容易となる。なお、デューティ比 DRは、好ま しくは略 0. 73に設定するのが良い。
[0036] 図 7は、デューティ比 DRを 0. 5としたときの、回折素子 1の格子の深さと回折効率 の関係を示すグラフである。 0次回折光の回折効率は格子の深さ Dが 400ηπ!〜 600 nmの範囲では 10%以下となる。反対に、 1次回折光の回折効率は深さ D力 00nm 〜600nmにおいて最大値を示し約 40%となる。従って、格子の深さ D力 00ηπ!〜 6 OOnm付近では 1次回折光が支配的となる。この回折素子 1を眼球投影型表示装置 に適用すると、直視したときに中心部の映像が暗ぐ周辺部の映像が明るくなり、均 一な明度の画像を得るように設計するのが難しくなる。
[0037] 図 8は、デューティ比 DRを 0. 25としたときの、回折素子 1の格子の深さと回折効率 の関係を示すグラフである。この場合は、デューティ比 DRが 0. 75と同様の特性を示 す。デューティ比 DRが 0. 25の場合は、凹凸部の底辺部の長さと上辺部の長さとを 逆転させた場合に相当する。
[0038] 以上まとめると、回折素子 1として、 0次回折光と 1次回折光の光強度をほぼ同程度 とし、かつ、各色の回折効率の差を小さくするためには、デューティ比 DRを 0. 2〜0 . 3、または、 0. 7〜0. 8の範囲とし、力つ、格子の深さ Dを概ね 400nm〜600nmの 範囲、より好ましくは 450nm〜550nmの範囲とするのがよい。また、デューティ比 D Rは略 0. 73、あるいは凹凸部の辺の長さが逆転する略 0. 27とするのが良い。
[0039] 次に、格子の深さ Dの許容誤差について説明する。透光性基材 2を用いた透過型 回折格子は、底辺部 7を通過する透過光と上辺部 6を通過する透過光との間の光学 的な光路差に基づく光の干渉を利用している。そのために、格子の深さ Dを高精度 で形成する必要がある。そこで、屈折率の異なる透光性基材 2の材料について、格 子の深さ Dを形成する上で許容可能な誤差を表す許容誤差を、傾斜角 Θを変化さ せて求めた。この許容誤差が大きければ大きいほど、回折素子 1の作製は容易となる
[0040] 回折素子 1の 0次回折光及び 1次回折光は、 R, G, Bの各色について色バランスを 保持する必要がある。眼球投影型表示装置に回折素子 1を適用する場合に回折素 子 1の色バランスが崩れると、認識される映像が不自然になる。そこで G光の 0次回折
光と 1次回折光の比を基準として R光や B光の偏差を規定し、色バランスが崩れない 傾斜角 Θの範囲を求める。
[0041] 入射光の各色に対する 0次回折光及び 1次回折光の出射光強度を次のように定義 する。
RO: R (赤色)光の回折素子 1へ入射する入射光強度に対する、 R光の 0次回折光 強度の比
R1 : R (赤色)光の回折素子 1へ入射する入射光強度に対する、 R光の 1次回折光強 度の比
GO: G (緑色)光の回折素子 1へ入射する入射光強度に対する、 G光の 0次回折光強 度の比
G1 : G (緑色)光の回折素子 1へ入射する入射光強度に対する、 G光の 1次回折光強 度の比
BO: B (青色)光の回折素子 1へ入射する入射光強度に対する、 B光の 0次回折光強 度の比
B1 : B (青色)光の回折素子 1へ入射する入射光強度に対する、 B光の 1次回折光強 度の比
次に、 G光を基準として R光と B光の各色の偏差を次のように定義する。 R光の偏差: Dev (Rl) = 1— (Rl X GO)Z(RO X Gl)
B光の偏差: Dev (Bl) = 1一(Bl X GO) Z (BO X G1)
R光の偏差とは、 Rの 0次回折光に対する 1次回折光の光強度比を求めて、この値 を Gの 0次回折光に対する 1次回折光の光強度比により除算した値を 1から差し引い た値である。 B光も同様である。即ち、 R光の偏差力 SOである場合は、 G光の 1次回折 光と 0次回折光との比と、 R光の 1次回折光と 0次回折光との比が同一であることを意 味する。 B光についても同様である。
[0042] 図 9は、底辺部 7の長さ Lを 3 μ mとし、格子の深さ Dを変化したときの R光の偏差 (R 1)及び B光の偏差 (B1)を示すグラフである。横軸が格子の深さ Dを示し、縦軸が上 記において定義した偏差を示す。眼球投影型表示装置に回折素子 1を適用した場 合、偏差が 0. 2を超えると映像の色バランスが崩れる。そこで、この偏差は 0. 2以下
に抑制する必要がある。図 9に示すように、格子の深さ Dが大きくなるに従い、青色 B の偏差は増大し、逆に赤色 Rの偏差は減少する。図 9から、深さ Dが 515ηπ!〜 526η mの範囲においてはいずれの色に対しても偏差 0. 2を下回っている。つまり、深さ D 力 の範囲であれば色バランスが崩れないことを意味する。従って、深さ Dの許容誤 差は約 l lnmである。なお、上記は特定の条件についての一例である。他の条件等 を考慮に入れると、深さ Dの好ましい範囲は 500nm〜570nmである。また、底辺部 7の長さ Lは 3 μ m力ら 100 μ mが好まし!/ヽ。
[0043] 図 10は、透光性基材 2として二酸ィ匕シリコン (屈折率 nは略 1. 45)を用いて、傾斜 角 Θを変化させたときの格子の深さ Dの許容誤差を表すグラフである。複数の曲線 は、デューティ比を固定し、底辺部の長さ Lを 13. O ^ m- 13. の間で変化さ せたときの許容誤差を表している(底辺部の長さ Lは、 aが 13. O ^ m, bが 13. 1 ^ m 、 c力 13. 2 μ ΐη, d力 13. 3 /ζ πι、 e力 13. 4 μ ΐη, f力 13. 5 /z mの場 である)。図 1 0から、二酸ィ匕シリコンの場合は深さ Dの許容誤差は小さい。その中でも、許容誤差 を 10nm以上にすることが出来る傾斜角 Θの範囲は、概ね 17° 〜55° である。
[0044] 図 11は、透光性基材としてアクリル榭脂(屈折率 nは略 1. 49)を用いて、傾斜角 Θ を変化させたときの格子の深さ Dの許容誤差を表すグラフである。複数の曲線は上 記図 10と同様である。図 11から、許容誤差を 20nm以上とすることができる傾斜角 Θ の範囲は概ね 10° 〜75° であり、許容誤差を 30nm以上とすることができる傾斜角 Θの範囲は概ね 15° 〜65° であり、特定の底辺部の長さ Lに対して許容誤差を 40 nm以上とすることができる傾斜角 Θの範囲は概ね 22° 〜52° である。
[0045] 図 12は、透光性基材 2としてシクロォレフイン榭脂(屈折率 nは D線に対して略 1. 5 3)を用いて、傾斜角 Θを変化させたときの格子の深さ Dの許容誤差を表すグラフで ある。複数の曲線は図 10と同様である。図 12から明らかに、二酸化シリコンやアタリ ル榭脂の場合と比べて格子の深さ Dの許容誤差の値が大き ヽ。これはシクロォレフィ ン榭脂の屈折率が二酸ィ匕シリコンやアクリル榭脂よりも大きいことによるものと考えら れる。許容誤差を 30nm以上とすることができる傾斜角 Θの範囲は概ね 2° 〜55° であり、許容誤差を 40nm以上とすることができる傾斜角 Θの範囲は概ね 3° 〜50° であり、特定の底辺部の長さ Lに対して許容誤差を 50nm以上とすることができる傾
斜角 Θの範囲は概ね 5° 〜38° である。
[0046] 以上まとめると、いずれの透光性基材 2に対しても共通して、傾斜角 Θが 0° の矩 形状格子よりも傾斜角のある台形状格子のほうが深さ Dの許容誤差が大きい。従って 、矩形状回折素子よりも台形状回折素子の製造のほうが容易となる。また、屈折率が 大きいほうが許容誤差は大きくなり、回折素子 1の作製が容易になる。また、底辺部 7 の長さ Lを高精度で作製することにより、格子の深さ Dの許容誤差を大きくとることが できる。例えば、透光性基材 2としてシリコン酸ィ匕物を用いた場合でも、図 10のグラフ e力ら、底辺部 7の長さ Lを 13. 4 μ mとして、傾斜角 Θを概ね 25° 〜40° の範囲に 設計すれば許容誤差を 15nm以上とすることができる。
[0047] 図 13は、本発明に係る透過型回折素子を眼球投影型表示装置に適用した実施の 態様を表す説明図である。液晶表示素子 11と、液晶表示素子 11を背面から白色光 を照射する照明系 10により映像投影部を構成している。液晶表示素子 11に表示さ れた映像は、凸レンズ 12及び凸レンズ 13からなる光学部により眼球 14に導入され、 網膜 15に結像する。回折部である回折素子 1を凸レンズ 12と凸レンズ 13の間に配 置している。回折部である回折素子 1は、上記したように、透光性基材 2の表面に凹 凸部が周期的に形成されており、上辺部 6と底辺部 7との間の側辺部 5が傾斜する傾 斜角を有する。液晶表示素子 11から投影された映像は、凸レンズ 12を介して回折素 子 1により 0次回折光と 1次回折光(± 1次回折光)とに分離されて、射出瞳の径を拡 大させる。眼球 14を回転した場合でも射出瞳の径が拡大されたことにより、液晶表示 素子 11の周辺の点 P2の映像は蹴られを防止して網膜 15に結像させることが出来る 。結像された映像は、明るさの均一性が高ぐかつ、色バランスが保持されている。
[0048] なお、凸レンズ 13に替えて回折素子 1を使用することができる。また、回折素子 1と して、直行する 2方向に凹凸部を形成した回折素子 1を使用すれば、眼球 14を左右 上限に回転させても、蹴られの少ない映像を網膜 15に結像させることが出来る。また 、回折素子 1を 2枚使用する代わりに、透光性基材 2の表面と裏面の両面に台形状の 凹凸部を周期的に形成した回折素子 1を使用することができる。また、照明系 10と液 晶表示素子 11からなる映像投影部に替えて、プラズマディスプレイやエレクト口ルミ ネッセンスディスプレイカゝらなる映像投影部を使用することができる。
[0049] 図 14は、本発明に係る透過型回折素子を眼球投影型表示装置に適用した他の実 施の態様を表す説明図である。本眼球投影型表示装置は、光源及び映像信号処理 回路を含む光源ユニット 40からなる映像投影部と、映像を水平方向に走査する水平 走査系 31、映像を垂直方向に走査する垂直走査系 32、及び、レンズ系からなる光 学部と、このレンズ系により形成される射出瞳を拡大させるための回折素子 1からなる 回折部を備えている。更に、光源ユニット 40からの映像が光ファイバ 39を介して出射 される光束の波面曲率を変調するための波面曲率変調器 37を備えている。この眼球 投影型表示装置は、映像信号に応じて変調された光束を 2次元方向に走査して網 膜 15に直接映像を表示させるものである。本実施の形態に係る回折素子 1は、上記 したように、透光性基材 2の表面に凹凸部が周期的に形成されており、上辺部 6と底 辺部 7との間の側辺部 5が傾斜する傾斜角を有する。
[0050] 光源ユニット 40の Rレーザドライバ 51、 Gレーザドライバ 52、 Bレーザドライバ 53は それぞれ Rレーザ 48、 Gレーザ 49、 Bレーザ 50に輝度信号を出力し、これらのレー ザ力も各色の輝度変調されたレーザ光が出力される。各色のレーザ光はコリメ一タレ ンズ 45、 46、 47及びダイクロイツクミラー 42、 43、 44を介して光学結合系 41により合 成されて光ファイバ 39に出力される。光ファイバ 39から出射された光束は、ビームス プリッタ 33により反射され、更に波面曲率変調器 37により制御される反射ミラー 36に より反射され、収束レンズ 35を介してポリゴンミラー 30 (ポリゴンミラーの代わりにガル ノ ノミラーであってもよい)へ出射される。光束は、ポリゴンミラー 30により水平走査さ れ、前段レンズ群 29、上記本実施の形態に係る台形形状の凸部を有する回折素子 1、後段レンズ群 27を介してガルバノミラー 26 (ポリゴンミラーであってもよい)に出射 される。ガルバノミラー 26は入射した光束を垂直方向に走査する。垂直走査系 23は 前段レンズ群 24、後段レンズ群 25から構成され、垂直及び水平に走査された光束 が瞳孔 21を通過して眼球 14の網膜 15で結像する。
[0051] 従って本実施の形態においては、網膜 15上に光束を水平及び垂直に走査して画 像を書き込む。この場合にも、台形形状の凸部を有する回折素子 1により、射出瞳径 が拡大され、眼球 14を回転させても周辺部分の画像の蹴られを抑制することができ る。
以上の説明において、本発明に係る回折素子 1を眼球投影型表示装置に適用した 実施の形態について説明した力 これに限定されるものではない。例えば、レーザに よるディスクへの書き込み又は読取装置等へ適用することが出来る。
Claims
[1] 透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成された透過型回折素子において、 前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜す る所定の傾斜角を有することを特徴とする透過型回折素子。
[2] 前記凹凸部は、前記表面において互いに直交する 2方向に周期的に形成されてい ることを特徴とする請求項 1に記載の透過型回折素子。
[3] 前記凹凸部は、前記透光性基材において、入射光が前記透光性基材より出射する 出射側表面に形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の透過型回折素子。
[4] 前記透光性基材がシリコン酸ィ匕物の場合又は前記透光性基材の屈折率が略 1. 4
5の場合には前記傾斜角は 17° 〜55° の範囲であることを特徴とする請求項 1に記 載した透過型回折素子。
[5] 前記透光性基材がアクリル榭脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が略 1. 49 の場合には前記傾斜角は 10° 〜75° の範囲であることを特徴とする請求項 1に記 載した透過型回折素子。
[6] 前記透光性基材がシクロォレフィン榭脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が 略 1. 53の場合には前記傾斜角は 2° 〜55° の範囲であることを特徴とする請求項
1に記載した透過型回折素子。
[7] 前記凹凸部の 1周期のピッチを P、前記底辺部の長さを L、前記上辺部に対する前 記底辺部の深さを Dとした場合に、前記深さ Dは 400ηπ!〜 600nmの範囲であり、デ ユーティ比 DRを L/Pとした場合に前記デューティ比 DRは 0. 2〜0. 3又は 0. 7〜0
. 8の範囲であることを特徴とする請求項 1に記載の透過型回折素子。
[8] 前記深さ Dは 500ηπ!〜 570nmの範囲であることを特徴とする請求項 7に記載の透 過型回折素子。
[9] 映像を投影する映像投影部と、前記映像を使用者の眼球に導入する光学部と、前 記光学部により形成される射出瞳を拡大させるための回折部とを備えた眼球投影型 表示装置であって、
前記回折部は、透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成され、前記凹凸部の 底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角
を有する透過型回折素子であることを特徴とする眼球投影型表示装置。
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