WO2007116745A1

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

Info

Publication number: WO2007116745A1
Application number: PCT/JP2007/056417
Authority: WO
Inventors: Narihiro Haneda
Original assignee: Brother Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2007-10-18
Also published as: JP2007264555A

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

請求の範囲

[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。