JP2020008599A - Light guide plate, light guide plate module, image display device, and method of manufacturing light guide plate - Google Patents

Light guide plate, light guide plate module, image display device, and method of manufacturing light guide plate Download PDF

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Abstract

【課題】ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減である。【解決手段】第1の樹脂からなる第1の部材と、第1の部材の少なくとも一部の上に形成された第2の樹脂からなる第2の部材とを備える導光板である。この導光板では、第1の樹脂と第2の樹脂は異なる樹脂であり、第1の部材には第1のパターンからなる第1の回折格子が形成され、第2の部材には第2のパターンからなる第2の回折格子が形成される。そして、第1のパターンと第2のパターンは異なるパターンである。【選択図】図16PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce cost and weight by using a light guide plate made of glass. A light guide plate including a first member made of a first resin and a second member made of a second resin formed on at least a part of the first member. In this light guide plate, the first resin and the second resin are different resins, a first diffraction grating composed of a first pattern is formed on the first member, and a second diffraction grating is formed on the second member. A second diffraction grating consisting of the pattern is formed. The first pattern and the second pattern are different patterns. [Selection diagram] FIG. 16

Description

本発明は、導光板と回折素子とを組み合わせた、小型・軽量で拡張現実の表示が可能な画像表示素子および装置に関するものである。   The present invention relates to an image display device and a device that combine a light guide plate and a diffractive element, are small and light, and can display augmented reality.

拡張現実の画像表示装置では、ユーザは投影されるイメージだけでなく、周囲を見ることも同時にできる。投影されたイメージは、ユーザによって知覚される現実世界に重なり得る。これらのディスプレイの他の用途として、ビデオゲーム、および、眼鏡のようなウェアラブルデバイスなどが挙げられる。ユーザは半透明な導光板とプロジェクタが一体となった眼鏡もしくはゴーグル状の画像表示装置を装着することで、現実世界に重ねてプロジェクタから供給される画像を視認することが可能である。   With an augmented reality image display device, a user can simultaneously see the surroundings as well as the projected image. The projected image may overlap the real world perceived by the user. Other uses for these displays include video games and wearable devices such as glasses. The user can visually recognize an image supplied from the projector over the real world by wearing glasses or a goggle-shaped image display device in which the translucent light guide plate and the projector are integrated.

こうした画像表示装置に「特許文献1」〜「特許文献3」に記載されているものがある。これらの特許文献の中では、導光板はガラス製の基板に形成された複数の凹凸形状の回折格子から構成されている。プロジェクタから出射した光線は、入射用の回折格子によって導光板へと結合され、全反射しながら導光板内部を伝搬する。光線はさらに別の回折格子によって複製された複数の光線に変換されながら,導光板内を全反射伝搬し,最終的に導光板から出射する。出射した光線の一部はユーザの瞳を介して網膜に結像され,現実世界の画像に重なった拡張現実画像として認識される。   Some of such image display devices are described in Patent Literature 1 to Patent Literature 3. In these patent documents, the light guide plate is composed of a plurality of uneven diffraction gratings formed on a glass substrate. Light emitted from the projector is coupled to the light guide plate by the incident diffraction grating, and propagates inside the light guide plate while being totally reflected. The light beam is totally reflected and propagated in the light guide plate while being converted into a plurality of light beams duplicated by another diffraction grating, and finally emitted from the light guide plate. A part of the emitted light beam is imaged on the retina via the user's pupil, and is recognized as an augmented reality image overlapping a real world image.

こうした凹凸型の回折格子を用いた導光板では,プロジェクタから出射した光線の波数ベクトルKは,導光板の中に屈折してスネル法則により波数ベクトルがK0となる。さらに入射用の回折格子によって導光板内部を全反射伝搬が可能な波数ベクトルK1に変換される。導光板に設けられた別の1つまたは複数の回折格子により回折作用を受け,K2,K3,・・・のように回折を繰り返すごとに波数ベクトルが変化する。   In such a light guide plate using an uneven diffraction grating, the wave vector K of the light beam emitted from the projector is refracted into the light guide plate and the wave vector becomes K0 according to Snell's law. Further, the light is converted into a wave vector K1 capable of total reflection propagation inside the light guide plate by the diffraction grating for incidence. The diffracted light is affected by one or more other diffraction gratings provided on the light guide plate, and the wave vector changes each time the diffraction is repeated as indicated by K2, K3,.

最終的に導光板を出射した光線の波数ベクトルをK’とすると,|K’|=|K|であり,プロジェクタが導光板を介して,目と反対側にある場合には,K’=Kとなる。一方,プロジェクタが導光板を介して,目と反対側にある場合には,波数ベクトルに関して導光板は反射ミラーと同じ作用となり,導光板の法線ベクトルをz方向にとり,波数ベクトルのx,y,z成分を比較すると,Kx’=Kx,Ky’=Ky,Kz’=−Kzと表すことができる。   Assuming that the wave vector of the light beam finally emitted from the light guide plate is K ', | K' | = | K |, and when the projector is on the opposite side of the eye via the light guide plate, K '= It becomes K. On the other hand, when the projector is on the opposite side of the eye via the light guide plate, the light guide plate has the same action as the reflection mirror with respect to the wave number vector, the normal vector of the light guide plate is taken in the z direction, and the wave number vector x, y , Z components can be expressed as Kx ′ = Kx, Ky ′ = Ky, Kz ′ = − Kz.

導光板の機能は,プロジェクタから出射した光線を複数に複製しながら導波し,出射した複数の光線は元の画像と等価な画像情報としてユーザに認識されるようにするものである。光線の波長によって波数ベクトルの大きさが異なる。凹凸型の回折格子は一定の波数ベクトルを有するため,入射する光線の波長によって,回折された波数ベクトルK1が異なり,異なる角度で導光板内を伝搬する。導光板を構成するガラス基板の屈折率は波長に対して概略一定であり,全反射しながら導光する条件の範囲は,入射する光線の波長によって異なる。このため,広い視野角の画像をユーザに認識させるためには,波長ごとに異なる導光板を複数枚かさねる必要がある。一般的に導光板の数はR,G,Bそれぞれに対応した枚数,もしくはプラスマイナス1枚程度が最適と考えられる。   The function of the light guide plate is to guide the light beam emitted from the projector while replicating the light beam into a plurality of light beams, so that the emitted light beams are recognized by the user as image information equivalent to the original image. The magnitude of the wave number vector varies depending on the wavelength of the light beam. Since the concavo-convex type diffraction grating has a constant wave number vector, the diffracted wave number vector K1 differs depending on the wavelength of the incident light beam, and propagates in the light guide plate at different angles. The refractive index of the glass substrate constituting the light guide plate is substantially constant with respect to the wavelength, and the range of conditions for conducting light while total reflection differs depending on the wavelength of the incident light beam. For this reason, in order to allow a user to recognize an image with a wide viewing angle, it is necessary to stack a plurality of light guide plates that are different for each wavelength. Generally, it is considered that the number of light guide plates is optimal for each of R, G, and B, or about plus or minus one.

「特許文献1」に記載されている画像表示装置は二次元内で入力光を拡大するための画像表示装置であって,3つの直線状回折格子を備える。1つは入射用の回折格子であり,他の2つの回折格子は,代表的には導光板の表面と裏面に互いに重なって配置され,複製用と出射用の回折格子の機能を果たす。   The image display device described in Patent Literature 1 is an image display device for expanding input light in two dimensions, and includes three linear diffraction gratings. One is a diffraction grating for incidence, and the other two diffraction gratings are typically arranged on the front and back surfaces of the light guide plate so as to overlap each other, and perform the functions of a diffraction grating for duplication and an emission.

「特許文献2」,「特許文献3」に記載されている画像表示装置では,入射用,X方向複製用,およびY方向複製と出射用の3つの回折格子が,導光板内で領域が重なることなく配置されている。「特許文献3」では,入射回折格子の回折効率を高くするために,オーバハングされた三角形状の回折格子が開示されている。   In the image display devices described in “Patent Document 2” and “Patent Document 3”, three diffraction gratings for incidence, X-direction duplication, and Y-direction duplication and emission have overlapping regions in the light guide plate. Are located without. Patent Document 3 discloses an overhanging triangular diffraction grating to increase the diffraction efficiency of an incident diffraction grating.

「特許文献4」と「特許文献5」には,導光板に形成される回折格子として,入射用と出射用の2つの反射型体積型ホログラムを用いる技術が開示されている。これらにおいて,体積型ホログラムは,複数の波長に対応した回折格子を空間内に多重に形成されたものであり,「特許文献1」〜「特許文献3」の凹凸型回折格子と異なり,複数の波長の光線を同じ角度で回折する。したがって,1枚の導光板でRGB画像をユーザに認識させることができる。一方,「特許文献1」〜「特許文献3」の凹凸型回折格子では光線をX,Yの2次元方向に複製するため広い視野角を実現しうるのに対して,「特許文献4」と「特許文献5」ではX方向の1次元複製の機能のみ提供されるため,視野角が相対的に狭いという特徴がある。   Patent Literature 4 and Patent Literature 5 disclose techniques using two reflection-type volume holograms for incidence and emission as diffraction gratings formed on a light guide plate. In these, the volume hologram is formed by multiplexing diffraction gratings corresponding to a plurality of wavelengths in a space, and is different from the uneven diffraction gratings of “Patent Document 1” to “Patent Document 3”. Diffracts light rays of wavelengths at the same angle. Therefore, the RGB image can be recognized by the user with one light guide plate. On the other hand, the concave and convex diffraction gratings of Patent Documents 1 to 3 can realize a wide viewing angle because light rays are duplicated in two-dimensional directions of X and Y, whereas Patent Documents 4 and 5 disclose light beams. In Patent Document 5, since only the function of one-dimensional duplication in the X direction is provided, the viewing angle is relatively narrow.

特表2017−528739号公報JP-T-2017-528739 US2016/0231566A1公報US2016 / 0231566A1 WO99/52002A1公報WO99 / 52002A1 特開2007−94175号公報JP 2007-94175 A 特開2013−200467号公報JP 2013-200467 A 再表2014/156167号公報JP-A-2014 / 156167

「特許文献1」では導光板に基板材料に関し,その0038項等にあるように,ガラス材料を用いる技術を開示している。回折格子に関しては,その0017項にあるように,導波路(=ガラスプレート)表面をエッチングによって加工して形成する技術を開示している。   Patent Document 1 discloses a technique using a glass material as described in paragraph 0038 and the like of a substrate material for a light guide plate. As for the diffraction grating, as described in the paragraph [0017], a technology of forming a surface of a waveguide (= glass plate) by etching is disclosed.

「特許文献2」では回折格子に関し,その0044項にあるように,表面レリーフ格子SRG(=凹凸型回折格子)は基板上に所望の周期的微細構造を製造するために、基板のエッチングおよび/または堆積を含む適切な“微細加工プロセス”によって製造される技術を開示している。基板に関しては,光学部品そのもの,もしくは光学部品を製造するための金型などの製造マスターであってもよいとされている。「特許文献2」のFig.5B〜Fig.5Cには、入射回折格子に好適なオーバハングされた三角状の回折格子が示されている。   Patent Document 2 relates to a diffraction grating, and as described in paragraph 0044, a surface relief grating SRG (= concavo-convex type diffraction grating) is used for etching and / or etching a substrate to produce a desired periodic fine structure on the substrate. Or a technique manufactured by a suitable "microfabrication process" including deposition. It is said that the substrate may be an optical component itself or a production master such as a mold for producing the optical component. FIGS. 5B to 5C of “Patent Document 2” show an overhanging triangular diffraction grating suitable for an incident diffraction grating.

特許文献3では基板に関し,その第8頁にあるように,ガラス基板を用いる技術を開示している。特許文献3のFig.1には導光板の構成が示されている。   Patent Document 3 discloses a technique using a glass substrate as described on page 8 of the substrate. FIG. 1 of Patent Document 3 shows a configuration of a light guide plate.

これらの技術で開示される導光板はガラス基板を用い,回折格子は,半導体の加工に広く用いられているエッチングやリソグラフィ等の“微細加工プロセス”により形成するものである。“微細加工プロセス”のエッチング工程では,真空装置内でGa等のプラズマ粒子を用いた切削加工により,ガラス基板の表面に凹凸形状を形成することができる。   The light guide plate disclosed in these techniques uses a glass substrate, and the diffraction grating is formed by a “fine processing process” such as etching or lithography widely used in semiconductor processing. In the etching process of the “fine processing process”, an uneven shape can be formed on the surface of the glass substrate by cutting using plasma particles such as Ga in a vacuum device.

ガラス基板のエッチング工程により形成された導光板は,真空工程等を含むため,製造コストの低減には限界があった。また,近年の眼鏡の例に見られるように,ガラス材料は重いため,ユーザが快適に装着するためにプラスチックレンズが主流になっている。   Since the light guide plate formed by the glass substrate etching process includes a vacuum process and the like, there is a limit in reducing the manufacturing cost. Further, as seen in recent examples of glasses, glass materials are heavy, and plastic lenses have become mainstream for users to wear comfortably.

本発明の目的に照らした場合,先行技術の課題は,ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減である。   In light of the objects of the present invention, a problem of the prior art is the cost and weight reduction by using a light guide plate made of glass.

本発明の好ましい一側面は、第1の樹脂からなる第1の部材と、第1の部材の少なくとも一部の上に形成された第2の樹脂からなる第2の部材とを備える導光板である。この導光板では、第1の樹脂と第2の樹脂は異なる樹脂であり、第1の部材には第1のパターンからなる第1の回折格子が形成され、第2の部材には第2のパターンからなる第2の回折格子が形成される。そして、第1のパターンと第2のパターンは異なるパターンである。   One preferred aspect of the present invention is a light guide plate including a first member made of a first resin and a second member made of a second resin formed on at least a part of the first member. is there. In this light guide plate, the first resin and the second resin are different resins, a first member is provided with a first diffraction grating having a first pattern, and a second member is provided with a second diffraction grating. A second diffraction grating consisting of a pattern is formed. The first pattern and the second pattern are different patterns.

本発明の好ましい他の一側面は、上記の導光板を複数備え、複数の導光板のそれぞれは所定の波長に対応した、互いに異なる第1のパターンを有し、複数の導光板を積層して形成した導光板モジュールである。   Another preferable aspect of the present invention includes a plurality of the light guide plates described above, each of the plurality of light guide plates having a first pattern different from each other corresponding to a predetermined wavelength, and stacking the plurality of light guide plates. It is a formed light guide plate module.

本発明の好ましい他の一側面は、上記の導光板と、映像を投影するプロジェクタとを備え、プロジェクタの出射光が,第2のパターンを照射するように配置されている、画像表示装置である。   Another preferred aspect of the present invention is an image display device including the light guide plate described above and a projector that projects an image, wherein the light emitted from the projector is arranged to irradiate the second pattern. .

本発明の好ましい他の一側面は、ポリカーボネートあるいはアクリル樹脂で形成され、面に第1の回折格子パターンを有する基板を準備する第1の工程と、第1の回折格子パターンの上に、光硬化樹脂を配置する第2の工程と、光硬化樹脂に第2の回折格子パターンを転写する第3の工程と、光硬化樹脂を硬化させる第4の工程と、を有することを特徴とする導光板の製造方法である。   Another preferred aspect of the present invention is a first step of preparing a substrate formed of polycarbonate or acrylic resin and having a first diffraction grating pattern on the surface, and a step of photo-curing on the first diffraction grating pattern. A light guide plate comprising: a second step of disposing a resin; a third step of transferring a second diffraction grating pattern to the photocurable resin; and a fourth step of curing the photocurable resin. It is a manufacturing method of.

本発明によれば、ガラス製の導光板を用いることによるコストと重量の削減が可能となる。   According to the present invention, cost and weight can be reduced by using a glass light guide plate.

回折格子の形状パラメータの定義を示す模式側面図。FIG. 3 is a schematic side view showing the definition of the shape parameter of the diffraction grating. 回折格子の形状パラメータの定義を示す模式側面図。FIG. 3 is a schematic side view showing the definition of the shape parameter of the diffraction grating. 実施例の導光板の製造方法を示す流れ図。5 is a flowchart showing a method for manufacturing the light guide plate of the embodiment. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。FIG. 7 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。FIG. 7 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。FIG. 7 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。FIG. 7 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example. 実施例の導光板の製造方法を示す模式図。FIG. 7 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the light guide plate of the example. 試作素子の外観写真。Photo of the appearance of the prototype device. 試作素子の評価結果の回折パターン像。Diffraction pattern image of evaluation result of prototype element. 試作素子の評価結果の回折パターン像。Diffraction pattern image of evaluation result of prototype element. 試作素子の評価結果のグラフ図。FIG. 9 is a graph showing evaluation results of a prototype element. 試作素子の評価結果のビームパターン像。Beam pattern image of evaluation result of prototype element. 1次回折効率の測定結果と回折モデルの比較結果を示すグラフ図。FIG. 6 is a graph showing a comparison result between a measurement result of the first-order diffraction efficiency and a diffraction model. 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pitch of the diffraction grating and the pixel ratio. 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pitch of the diffraction grating and the pixel ratio. 回折格子のピッチと画素率との関係を示すグラフ図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pitch of the diffraction grating and the pixel ratio. 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。FIG. 9 is a graph showing another simulation result showing the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio. 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。FIG. 9 is a graph showing another simulation result showing the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio. 回折格子ピッチと画素率との関係を示す別のシミュレーション結果を示すグラフ図。FIG. 9 is a graph showing another simulation result showing the relationship between the diffraction grating pitch and the pixel ratio. 視野角25度の場合の画素率を示すシミュレーション結果を示すイメージ図。FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result indicating a pixel ratio in a case where a viewing angle is 25 degrees. 視野角25度の場合の画素率を示すシミュレーション結果を示すイメージ図。FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result indicating a pixel ratio in a case where a viewing angle is 25 degrees. 光ディスクの量産プロセス技術を実施例の導光板に活用するための適合性についてまとめた結果を示す表図。FIG. 9 is a table showing results summarizing suitability for utilizing the optical disc mass production process technology for the light guide plate of the embodiment. 電磁場計算により求めた出射回折格子の高さと回折効率の関係を示すグラフ図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the height of an output diffraction grating and diffraction efficiency obtained by electromagnetic field calculation. 出射回折格子の回折効率と投影像の輝度の関係を計算した結果を示すグラフ図。FIG. 9 is a graph showing the result of calculating the relationship between the diffraction efficiency of an output diffraction grating and the brightness of a projected image. 出射回折格子の回折効率と投影像の画質の関係を計算した結果を示すグラフ図。FIG. 9 is a graph showing the result of calculating the relationship between the diffraction efficiency of an output diffraction grating and the image quality of a projected image. 光ディスクの量産プロセスを活用した実施例の導光板を形成するプロセス全体を示す側面摸式図。FIG. 4 is a schematic side view showing the entire process of forming the light guide plate of the embodiment utilizing the mass production process of the optical disc. 実施例の入射回折格子の作成プロセスを示す側面摸式図。FIG. 3 is a schematic side view showing a process of producing the incident diffraction grating of the embodiment. 入射するビームの直径4mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果イメージ図。FIG. 11 is a diagram illustrating a calculation result image of an image projected on the retina when the diameter of an incident beam is 4 mmφ. 入射するビームの直径4mmφの場合の輝度のRMS値をまとめた計算結果のグラフ図。FIG. 7 is a graph showing calculation results summarizing RMS values of luminance when the diameter of an incident beam is 4 mmφ. 入射するビームの直径4mmφの場合の輝度の最大値をまとめた計算結果のグラフ図。FIG. 9 is a graph of a calculation result summarizing the maximum value of luminance when the diameter of an incident beam is 4 mmφ. 入射するビームの直径1mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果イメージ図。FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation result image of an image projected on the retina when the diameter of an incident beam is 1 mmφ. 入射するビームの直径1mmφの場合の輝度のRMS値をまとめた計算結果のグラフ図。FIG. 9 is a graph showing calculation results summarizing RMS values of luminance when the diameter of an incident beam is 1 mmφ. 入射するビームの直径1mmφの場合の輝度の最大値をまとめた計算結果のグラフ図。FIG. 9 is a graph of a calculation result summarizing the maximum value of luminance when the diameter of an incident beam is 1 mmφ. 導光板の厚さと光線と出射回折格子が交差する点の間隔の関係を示すグラフ図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of a light guide plate and the distance between points where light rays and an output diffraction grating intersect. 導光板の厚さと輝度最大および輝度ムラ最小となる出射回折格子の回折効率の関係を示す計算結果のグラフ図。FIG. 9 is a graph of a calculation result showing a relationship between the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating at which the luminance becomes maximum and the luminance unevenness becomes minimum. 実施例の導光板の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the light-guide plate of an Example. 透過型の入射回折格子のシミュレーション結果を示すイメージ図。FIG. 9 is an image diagram showing a simulation result of a transmission type incident diffraction grating. 反射型の入射回折格子のシミュレーション結果を示すイメージ図。FIG. 7 is an image diagram showing a simulation result of a reflection type incident diffraction grating. 導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果を示すイメージ図。The image figure showing the simulation result which visualized the intensity distribution of the light ray which propagates inside the light guide plate. 導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果を示すイメージ図。The image figure showing the simulation result which visualized the intensity distribution of the light ray which propagates inside the light guide plate. 実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method for improving unevenness in luminance of a projected image according to the embodiment. 実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method for improving unevenness in luminance of a projected image according to the embodiment. 輝度ムラを軽減する方法を説明するグラフ図FIG. 4 is a graph illustrating a method for reducing luminance unevenness. 輝度ムラを軽減する実施例の導光板を示す摸式図。The schematic diagram which shows the light-guide plate of the Example which reduces luminance unevenness. 実施例の導光板を用いた別の実施例を示す摸式図。The schematic diagram which shows another Example using the light-guide plate of an Example. 実施例の導光板を示す模式図。The schematic diagram which shows the light-guide plate of an Example.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. It is easily understood by those skilled in the art that the specific configuration can be changed without departing from the spirit or spirit of the present invention.

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。   In the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated in some cases.

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。   When there are a plurality of elements having the same or similar functions, the same reference numerals may be given different subscripts for explanation. However, when there is no need to distinguish a plurality of elements, the description may be omitted with suffixes omitted.

本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。   Notations such as “first”, “second”, and “third” in this specification and the like are used to identify constituent elements, and necessarily limit the number, order, or content thereof. is not. Also, numbers for identifying components are used for each context, and numbers used in one context do not necessarily indicate the same configuration in another context. Also, this does not prevent a component identified by a certain number from also having a function of a component identified by another number.

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。   The position, size, shape, range, or the like of each component illustrated in the drawings and the like is not accurately represented in some cases in order to facilitate understanding of the present invention. For this reason, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, and the like disclosed in the drawings and the like.

以下の実施例では、導光板のプラスチック化を可能とする技術を開示する。また,上述のように導光板には入射用とそれ以外の回折格子が形成される。本明細書では,以下,前者を入射回折格子,後者を出射回折格子として表現を統一して説明を進める。   In the following embodiments, a technology that enables plasticization of the light guide plate will be disclosed. In addition, as described above, the light guide plate is formed with a diffraction grating for incidence and other diffraction gratings. In the present specification, description will be made below by unifying the former as an incident diffraction grating and the latter as an output diffraction grating.

広く普及しているCD(Compact Disc),DVD(Digital Versatile Disc),BD(Blu−ray(登録商標) Disc)等の光ディスクでは,基板としてポリカーボネートに代表されるプラスチック材料が用いられている。基板の表面には光スポットの案内溝として320nm(25GB容量BD)程度から740nm(4.7GB容量DVD)程度のピッチで,深さが50〜100nm程度の凹凸が形成されている。基板の製法は真空工程を含まない射出成型法で量産化されており,安価に供給されている。なお、本明細書で表示「A〜B」は、「A以上B以下」の意味で用いるとする。また、本明細書では「樹脂」とは高分子化合物からなる材料を意味し、ガラスを含まず、レジン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、光硬化樹脂を含む概念である。   In optical disks such as CDs (Compact Discs), DVDs (Digital Versatile Discs), and BDs (Blu-ray (registered trademark) Discs) that are widely used, a plastic material typified by polycarbonate is used as a substrate. Irregularities having a pitch of about 320 nm (25 GB capacity BD) to about 740 nm (4.7 GB capacity DVD) and a depth of about 50 to 100 nm are formed on the surface of the substrate as light spot guide grooves. Substrates are mass-produced by an injection molding method that does not include a vacuum process, and are supplied at low cost. In this specification, the expression “A to B” is used in the meaning of “A or more and B or less”. Further, in the present specification, “resin” means a material made of a polymer compound, and is a concept that does not include glass but includes resin, polycarbonate, acrylic resin, and photocurable resin.

導光板に必要な回折格子のピッチと深さについて,発明者らの検討の結果を以下に述べる。回折格子のピッチは,入射回折格子と出射回折格子で共通であり,200〜700nm,好ましくは300〜600nmが適している。回折格子の深さに関しては,入射回折格子と,出射回折格子で好適な回折効率が異なることを考慮する必要がある。一般に回折格子の回折効率は深さの増加に応じて大きくなるという関係がある。入射回折格子は入射した光線を効率よく導光板に結合するために,10%〜80%,好ましくは30%〜70%の1次回折効率を有することが望ましい。一方,出射回折格子は,光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため,0.1%〜10%,好ましくは0.5%〜5.0%の1次回折効率を有することが望ましい。   The results of a study by the inventors on the pitch and depth of the diffraction grating required for the light guide plate will be described below. The pitch of the diffraction grating is common to the incident diffraction grating and the output diffraction grating, and is 200 to 700 nm, preferably 300 to 600 nm. With respect to the depth of the diffraction grating, it is necessary to consider that the preferred diffraction efficiency differs between the incident diffraction grating and the output diffraction grating. Generally, there is a relationship that the diffraction efficiency of a diffraction grating increases as the depth increases. The incident diffraction grating desirably has a first-order diffraction efficiency of 10% to 80%, preferably 30% to 70% in order to efficiently couple incident light rays to the light guide plate. On the other hand, the output diffraction grating has a first-order diffraction efficiency of 0.1% to 10%, preferably 0.5% to 5.0% in order to replicate light rays and emit light from the light guide plate over a wide area. It is desirable to have

回折効率の適性値に応じて,入射回折格子の深さは50〜500nm,好ましくは100〜400nmであることが望まれる。一方,出射回折格子の深さは10〜200nm,好ましくは20〜100nmであることが望ましい。注目すべき点は,出射回折格子に求められるピッチと深さが,射出成型法を用いることにより安価に提供されている光ディスクのピッチと深さが略等しい点である。従って,光ディスクの製造技術を活用することにより,プラスチック基板上に凹凸型回折格子として,出射回折格子を安価に形成することが可能であることが判る。   Depending on the appropriate value of the diffraction efficiency, it is desired that the depth of the incident diffraction grating is 50 to 500 nm, preferably 100 to 400 nm. On the other hand, the depth of the output diffraction grating is desirably 10 to 200 nm, preferably 20 to 100 nm. It should be noted that the pitch and depth required for the output diffraction grating are approximately equal to the pitch and depth of an optical disk that is provided at low cost by using an injection molding method. Therefore, it can be seen that by utilizing the manufacturing technology of the optical disk, it is possible to form an output diffraction grating at low cost as a concavo-convex diffraction grating on a plastic substrate.

その他、入射回折格子と出射回折格子の最適化は、それらの形状、アスペクト、高さ、デユーティー、パターニング領域面積の少なくとも一つをそれぞれの格子に適切なものに設定することで実現される。   In addition, optimization of the incident diffraction grating and the output diffraction grating can be realized by setting at least one of their shape, aspect, height, duty, and patterning area to be appropriate for each grating.

DVDとBDでは,記録容量を増やした多層光ディスクが実用化されている。第1の記録層は上述の射出成型により形成されたプラスチック基板を用いて形成され,その上に2P(Photo−Polymarization)法によりUV樹脂を用いたパターン転写技術により第2の記録層が形成されている。2P法は射出成型法に比較して深さの大きな回折格子を形成することが可能である。後述するように,発明者らの検討により,2P法により入射回折格子に好適な条件である深さ0.3μmの回折格子が良好に形成できることが判っている。   For DVDs and BDs, multilayer optical discs with increased recording capacity have been put to practical use. The first recording layer is formed by using the plastic substrate formed by the above-described injection molding, and the second recording layer is formed thereon by a pattern transfer technique using a UV resin by a 2P (Photo-Polymarization) method. ing. The 2P method can form a diffraction grating having a greater depth than the injection molding method. As will be described later, it has been found from studies by the inventors that a diffraction grating having a depth of 0.3 μm, which is a suitable condition for the incident diffraction grating, can be formed favorably by the 2P method.

次に,導光板の回折格子の面積について述べる。「特許文献1」〜「特許文献3」に記載されてもいるが,上に述べたそれぞれの機能に照らして,入射回折格子の面積は出射回折格子の面積より小さく、入射回折格子の面積<<出射回折格子である。   Next, the area of the diffraction grating of the light guide plate will be described. Although described in “Patent Document 1” to “Patent Document 3”, in view of the respective functions described above, the area of the incident diffraction grating is smaller than the area of the output diffraction grating, and the area of the incident diffraction grating < <This is an output diffraction grating.

以下の工程により導光板を形成することにより,光ディスクの製造技術を活用した低コスト化と,プラスチック化による軽量化を実現した導光板を提供することができる。
(1)射出成型法により,大面積の出射回折格子を有するプラスチック基板を作成。
(2)その上の一部の領域に,2P法により入射回折格子を形成。
(3)これらの1枚または複数枚をフレームに内蔵させて,導光板を形成。
By forming the light guide plate by the following steps, it is possible to provide a light guide plate that realizes low cost by utilizing the manufacturing technology of the optical disc and lightening by using plastic.
(1) A plastic substrate having a large-area output diffraction grating is prepared by injection molding.
(2) An incident diffraction grating is formed in a part of the region above by the 2P method.
(3) One or more of these are incorporated in a frame to form a light guide plate.

以下の実施例では,導光板として凹凸型回折格子を有する導光板を例に、さらに詳細に説明を進める。最初に,以下の実施例の理解を容易にするため,回折格子の形状パラメータの定義についてまとめる。   In the following embodiments, the light guide plate having a concave-convex type diffraction grating as an example will be described in further detail. First, definitions of the shape parameters of the diffraction grating will be summarized to facilitate understanding of the following embodiments.

図1Aは入射回折格子、図1Bは出射回折格子の形状パラメータの定義であり、基板を側面から見た図である。図1Aに示すように,入射回折格子はピッチP,高さH,およびブレーズ角θにより定義される。また図1Bに示すように,出射回折格子はピッチP,高さH,凸部幅A,およびデューティD=A/Pにより定義される。ここに示した例は,入射回折格子と出射回折格子として代表的な形状について示したものであり,本実施例では,これら以外に正弦波状回折格子等を用いることができる。 FIG. 1A shows the definition of the shape parameters of the incident diffraction grating, and FIG. 1B shows the definition of the shape parameters of the output diffraction grating. As shown in Figure 1A, the input diffraction grating is defined by a pitch P, height H, and the blaze angle theta B. As shown in FIG. 1B, the output diffraction grating is defined by a pitch P, a height H, a convex portion width A, and a duty D = A / P. The example shown here shows a typical shape as the incident diffraction grating and the outgoing diffraction grating. In this embodiment, a sinusoidal diffraction grating or the like can be used in addition to these.

図2は、本発明の第1の実施例の画像表示素子(導光板)の作成工程を示す流れ図である。
図3A〜図3Eは、作成工程の各段階を模式的に示す図である。図2と図3A〜図3Eを参照して、実施例の作成工程を説明する。
FIG. 2 is a flowchart showing a process of manufacturing the image display device (light guide plate) according to the first embodiment of the present invention.
3A to 3E are diagrams schematically showing each stage of the creation process. With reference to FIG. 2 and FIGS. 3A to 3E, a description will be given of a manufacturing process of the embodiment.

初めに入射回折格子用の母型301と出射回折格子用の母型302をEB描画法等により準備する(S101、図3A)。出射回折格子用の母型302は射出成型プロセスに適合するようにNiスタンパに転写して用いている。   First, a master block 301 for the incident diffraction grating and a master block 302 for the output diffraction grating are prepared by an EB drawing method or the like (S101, FIG. 3A). The matrix 302 for the output diffraction grating is transferred to a Ni stamper and used so as to be compatible with the injection molding process.

次に出射回折格子用の母型302を用いて,射出成型法によりプラスチック材料を用いて表面に出射回折格子303を形成した基板304を作成する(S102、図3B)。基板304を構成するプラスチック材料としては,広く用いられているポリカーボネートが好ましいが,ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)等のアクリル樹脂ほかの透明樹脂材料を用いることもできる。なお、図3Bに、基板として用いたDVD−RAMディスク305上における、形成された出射回折格子303の配置の例をあわせて示す。   Next, a substrate 304 having an emission diffraction grating 303 formed on the surface thereof using a plastic material by an injection molding method using the emission diffraction grating master 302 (S102, FIG. 3B). As a plastic material forming the substrate 304, a widely used polycarbonate is preferable, but a transparent resin material other than an acrylic resin such as polymethyl methacrylate resin (PMMA) can also be used. FIG. 3B also shows an example of the arrangement of the formed output diffraction grating 303 on the DVD-RAM disk 305 used as the substrate.

次いで,必要に応じ外界の視認性を高めるための反射防止コーティング306を,基板304の回折格子と反対の面に,スパッタリング法等により形成する(S103、図3C)。   Next, if necessary, an anti-reflection coating 306 for improving the visibility of the outside world is formed on the surface of the substrate 304 opposite to the diffraction grating by a sputtering method or the like (S103, FIG. 3C).

次に、射出成型により形成された基板304の一部に,入射回折格子用の母型301を用いて2P法により入射回折格子307を形成する(S104、図3D)。基板304の上にUV樹脂で入射回折格子を形成するが、そのためのUV樹脂の厚さは2〜10μm程度である。図3Dには側面図と上面図をあわせて示す。図3Dに示すように、入射回折格子307は、出射回折格子303に重ねて形成される。2P法の替わりにドライシートをスタンパとするナノインプリント法等を用いてもよい。   Next, an incident diffraction grating 307 is formed on a part of the substrate 304 formed by injection molding by using a 2P method using a matrix 301 for the incident diffraction grating (S104, FIG. 3D). An incident diffraction grating is formed of UV resin on the substrate 304, and the thickness of the UV resin is about 2 to 10 μm. FIG. 3D shows a side view and a top view together. As shown in FIG. 3D, the incident diffraction grating 307 is formed so as to overlap the output diffraction grating 303. Instead of the 2P method, a nanoimprint method using a dry sheet as a stamper may be used.

続いて,必要に応じ入射回折格子307の波長分離性能と回折効率の向上のため,入射回折格子307の上にマスクスパッタリング法等により反射コーティング308を行う(S105、図3E)。以上により,プラスチック製の安価で計量な導光板300を形成することができる。   Subsequently, a reflection coating 308 is formed on the incident diffraction grating 307 by a mask sputtering method or the like to improve the wavelength separation performance and the diffraction efficiency of the incident diffraction grating 307 as needed (S105, FIG. 3E). Thus, the inexpensive and light-weight plastic light guide plate 300 can be formed.

図4はDVD−RAMディスクに、試作した素子の領域A、B,Cの外観写真を示している。DVD−RAMディスクの凹凸パターンは出射回折格子に、試作した素子は入射回折格子に相当する。ここでは射出成型法で作成された表面に周期的な凹凸パターンを有するポリカーボネート基板の上に市販のブレーズ型回折格子を母型として2P法によりパターン転写を行うと共に,マスクスパッタリング法で反射コーティングを形成した。選択したブレーズ型回折格子はピッチ833nm,AFM(Atomic Force Microscope)により測定した三角形の凹凸パターンの高さは374nmであった。ポリカーボネート基板としては,射出成型法で形成された直径80mmのDVD−RAM基板401を選択した。   FIG. 4 shows a photograph of the appearance of regions A, B, and C of a prototype device on a DVD-RAM disk. The concavo-convex pattern of the DVD-RAM disk corresponds to the output diffraction grating, and the prototype device corresponds to the incident diffraction grating. Here, a pattern is transferred by a 2P method using a commercially available blazed diffraction grating as a master on a polycarbonate substrate having a periodic uneven pattern on the surface formed by injection molding, and a reflective coating is formed by a mask sputtering method. did. The selected blazed diffraction grating had a pitch of 833 nm, and the height of the triangular uneven pattern measured by AFM (Atomic Force Microscope) was 374 nm. As the polycarbonate substrate, a DVD-RAM substrate 401 having a diameter of 80 mm formed by an injection molding method was selected.

DVD−RAM基板401において光スポットの案内溝として形成された凹凸パターンは矩形の回折格子として作用する。回折格子のピッチは1230nm,パターン高さは約70nmである。図中の3つの素子領域A、B,Cは1辺12.7mmの矩形であり,それぞれ(1)グレーティングの2P樹脂のみを形成した領域A,(2)反射コーティングのみを形成した領域B,および(3)グレーティングの2P樹脂上に反射コーティングを形成した導波チェック領域Cである。グレーティングの2P樹脂は,図3Dで説明した入射回折格子307に相当する。   The concavo-convex pattern formed as a light spot guide groove on the DVD-RAM substrate 401 acts as a rectangular diffraction grating. The pitch of the diffraction grating is 1230 nm, and the pattern height is about 70 nm. The three element regions A, B, and C in the figure are rectangles each having a side of 12.7 mm, and (1) a region A where only the 2P resin of the grating is formed, (2) a region B where only the reflection coating is formed, and And (3) a waveguide check region C in which a reflective coating is formed on the 2P resin of the grating. The 2P resin of the grating corresponds to the incident diffraction grating 307 described with reference to FIG. 3D.

反射コーティングは、評価に用いた赤色レーザ(波長635nm)に対して回折効率を高めるために準備した5層光学フィルタである。膜構成は光ディスク用の光学膜として広く用いられる誘電体材料から選択し,ポリカーボネート基板(屈折率1.58、膜厚600μm(以下同様))/ZnS-SiO2(2.33、88nm)/SiO2(1.47、80nm)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)/SiO2(1.47、80nm)/ZnS-SiO2(2.33、88nm)とした。以下,この試作素子の評価結果から,本実施例の骨子である射出成型基板による出射回折格子の上に2P法等により入射回折格子を形成したプラスチック導光板の実現性を示す。
(1)2P法で形成した入射回折格子の性能
図5Aおよび図5Bは,図4で説明したDVD−RAM基板401にレーザ光を垂直入射した場合の回折パターンを示す。図5Aは,グレーティングの2P樹脂が形成されていない領域でのパターンである。図5Bは,グレーティングの2P樹脂が形成されている領域でのパターンである。
The reflective coating is a five-layer optical filter prepared to increase the diffraction efficiency with respect to the red laser (wavelength 635 nm) used for evaluation. The film configuration is selected from dielectric materials widely used as optical films for optical discs, polycarbonate substrate (refractive index 1.58, film thickness 600 μm (the same applies hereinafter)) / ZnS-SiO 2 (2.33, 88 nm) / SiO 2 (1.47, 80nm) / ZnS-SiO 2 ( 2.33,88nm) / was SiO 2 (1.47,80nm) / ZnS- SiO 2 (2.33,88nm). Hereinafter, the feasibility of a plastic light guide plate in which an incident diffraction grating is formed by a 2P method or the like on an emission diffraction grating formed by an injection-molded substrate, which is the gist of the present embodiment, will be described based on the evaluation results of this prototype device.
(1) Performance of Incident Diffraction Grating Formed by 2P Method FIGS. 5A and 5B show diffraction patterns when laser light is perpendicularly incident on the DVD-RAM substrate 401 described in FIG. FIG. 5A shows a pattern in a region where the 2P resin of the grating is not formed. FIG. 5B is a pattern in a region where the 2P resin of the grating is formed.

図5Aに見られるように,入射回折格子となるグレーティングを形成していない領域ではDVD−RAMの回折パターンが現れる。一方,2P法により,その上に形成した入射回折格子がある領域Aでは,図5Bに見られるようにDVD−RAMの回折パターンが消失し,入射回折格子の回折パターンが現れることが判る。これにより,本実施例の画像表示素子によって,回折格子パターンの上書きが可能であることが示された。
(2)反射コーティングの分光特性
図6は反射コーティングの反射率と透過率(縦軸)の波長(横軸)依存性を示す結果である。これはマスクスパッタリング法により,一部の領域のみに光学薄膜を積層した領域Bを評価したものである。図に見られるように,点線で示す設計値と実線で示す実測値は良好に一致しており,プラスチック製の導光板の上に光学薄膜によるコーティングを行なうことにより,波長依存反射膜の形成が可能なことが示された。
(3)反射コーティングつきの入射回折格子の結合特性
図7は反射コーティングを形成した入射回折格子(領域C)にレーザビームを入射した場合の透過レーザ光のパターンである。図に見られるように,入射ビームに対して,等間隔に複製ビームが整列して出射していることが判る。これは,入射回折格子によりレーザビームが回折され,導光板内を全反射伝搬すると共に,当該ビームが2回,3回,4回と入射回折格子に当たりながら,複製されており,かつ,入射ビームの波数を保存した状態で出射している様子を表している。これは1次元ではあるが,入射ビームの伝搬,複製,出射という導光板の基本機能が達成されたことを示す結果である。なお、領域Cの範囲を素子サイズとして点線で示している。
以上により,本実施例の画像表示素子が,仮想現実向けの導光板としての基本機能を満たすことが示された。
As shown in FIG. 5A, a diffraction pattern of the DVD-RAM appears in a region where no grating serving as an incident diffraction grating is formed. On the other hand, it can be seen that the diffraction pattern of the DVD-RAM disappears and the diffraction pattern of the incident diffraction grating appears in the region A where the incident diffraction grating is formed thereon by the 2P method, as shown in FIG. 5B. As a result, it was shown that the image display element of the present embodiment can overwrite the diffraction grating pattern.
(2) Spectral Characteristics of Reflective Coating FIG. 6 is a result showing the wavelength (horizontal axis) dependency of the reflectance and the transmittance (vertical axis) of the reflective coating. This is an evaluation of the area B where the optical thin film is laminated only in a part of the area by the mask sputtering method. As can be seen in the figure, the design values indicated by the dotted line and the measured values indicated by the solid line are in good agreement, and the coating with the optical thin film on the plastic light guide plate makes it possible to form the wavelength-dependent reflective film. It has been shown that it is possible.
(3) Coupling Characteristics of Incident Diffraction Grating with Reflective Coating FIG. 7 shows a pattern of transmitted laser light when a laser beam is incident on the incident grating (area C) on which the reflective coating is formed. As can be seen from the figure, it can be seen that the duplicate beams are emitted at regular intervals with respect to the incident beam. This is because the laser beam is diffracted by the incident diffraction grating, propagates through the light guide plate in total reflection, and the beam hits the incident diffraction grating twice, three times, and four times, and is duplicated. FIG. 7 shows a state in which the light is emitted in a state where the wave number is preserved. This is a result indicating that the basic function of the light guide plate, which is one-dimensional, but propagates, duplicates, and emits the incident beam has been achieved. Note that the range of the region C is indicated by a dotted line as the element size.
From the above, it was shown that the image display element of the present embodiment satisfies the basic function as a light guide plate for virtual reality.

ここでは,シミュレーションにより,本実施例の画像表示素子による投影像について調べ,本実施例に好適な,具体的構成について述べる。
1962年にG. H. Spencerらにより提唱された光線追跡法[G. H. Spencer and M. B. T. K. Murty,“General Ray-Tracing Procedure”,J. Opt. Soc. Am. 52,p.672 (1962).]は,光の粒子性に着目して経路を追跡することで,ある点において観測される像などを計算する手法であり,コンピュータグラフィックス分野を中心に精力的に改良が続けられている。
Here, a projection image by the image display device of the present embodiment is examined by simulation, and a specific configuration suitable for the present embodiment will be described.
The ray tracing method proposed by GH Spencer et al. In 1962 [GH Spencer and MBTK Murty, “General Ray-Tracing Procedure”, J. Opt. Soc. Am. 52, p.672 (1962)] This is a method of calculating the image observed at a certain point by tracking the path by paying attention to the particle properties, and has been energetically improved mainly in the field of computer graphics.

光線追跡法に基づくモンテカルロ光線追跡法[I. Powell “Ray Tracing through sysytems containing holographic optical elements”,Appl. Opt. 31,pp.2259-2264 (1992).]は,回折や反射等による経路の分離を確率的に扱うことで,演算量の指数関数的な増大を防ぐ手法であり,回折と全反射伝搬を繰り返す導光板のシミュレーションに適している。モンテカルロ光線追跡法では反射や屈折を忠実に再現することができるが,回折に関しては適したモデルの開発が必須である。   The Monte Carlo ray tracing method based on ray tracing [I. Powell “Ray Tracing through sysytems containing holographic optical elements”, Appl. Opt. 31, pp. 2259-2264 (1992).] Is a method of preventing the exponential increase in the amount of computation by treating stochastically, and is suitable for simulation of a light guide plate that repeats diffraction and total reflection propagation. Although Monte Carlo ray tracing can accurately reproduce reflection and refraction, it is necessary to develop a suitable model for diffraction.

ヘッドマウントディスプレイ向けの導光板では,可視光全域に亘る波長範囲(約400-700nm)と,投影イメージの視野角40°に対応した入射角範囲に対応する回折モデルが必須となる。以下,本実施例で使用する回折モデルについて説明する。   In light guide plates for head-mounted displays, a diffraction model that supports the wavelength range (approximately 400 to 700 nm) over the entire visible light range and the incident angle range that corresponds to the viewing angle of 40 ° of the projected image is essential. Hereinafter, the diffraction model used in the present embodiment will be described.

以下の説明では,光軸をz方向にとり,導光板は法線ベクトルがz方向にあり,表面もしくは裏面に少なくとも回折格子が形成されているとする。また,説明の簡素化のため,導光板に対して,プロジェクタ光学系と瞳は反対側に位置するとする。両者が導光板に対して,同じ側にある場合には,以下の波数ベクトルの議論において,導光板から出射する光線にx−y面ミラーによる反転操作を施せばよい。   In the following description, it is assumed that the optical axis is in the z direction, the light guide plate has a normal vector in the z direction, and at least a diffraction grating is formed on the front surface or the back surface. For simplicity of description, it is assumed that the projector optical system and the pupil are located on opposite sides of the light guide plate. When both are on the same side with respect to the light guide plate, in the following discussion of the wave number vector, the light emitted from the light guide plate may be subjected to an inversion operation using an xy plane mirror.

導光板に入射する光線の波数ベクトルを   Let the wave vector of the light ray incident on the light guide plate be

Figure 2020008599
Figure 2020008599

とし,
出射する光線の波数ベクトルを
age,
The wave vector of the outgoing ray

Figure 2020008599
Figure 2020008599

とする。 And

投影される映像の情報は強度,波長,およびピクセル情報とから構成され,波長およびピクセル情報は目のレンズ作用によって光線の角度情報,すなわち波数ベクトルにより定められる。投影される映像の波長およびピクセル情報を保存するために,導光板には以下の作用が求められる(式(1))。   The information of the projected image is composed of intensity, wavelength, and pixel information, and the wavelength and pixel information are determined by the angle information of the light beam, that is, the wave number vector by the lens action of the eye. In order to preserve the wavelength and pixel information of the projected image, the light guide plate is required to have the following operation (Equation (1)).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

光線の回折は,回折次数と回折格子の波数ベクトルの内積を光線の波数ベクトルに加算することによって表される。入射した光線と回折格子がn回目に交差するときの回折について,光線の波数ベクトルがkからk’になるとすると,次の関係が成り立つ(式(2))。 The diffraction of a light ray is represented by adding the inner product of the diffraction order and the wave vector of the diffraction grating to the wave vector of the light ray. The diffraction when the light beams with the diffraction grating incident intersects the n-th, when the wave vector of the light beam consists of k n to k 'n, the following relationship holds (equation (2)).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

ここでmは回折次数,Kはn回目の交差点における回折格子の波数ベクトルである。 Here, mn is the diffraction order, and Kn is the wave vector of the diffraction grating at the n-th intersection.

光線が回折格子とN回目の交差で回折し,導光板から出射する場合,式(1)より,以下の関係が成立する(式(3))。   When the light beam is diffracted at the Nth intersection with the diffraction grating and emitted from the light guide plate, the following relationship is established from Expression (1) (Expression (3)).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

これは,導光板の基本作用を表している。式(2)をx,y,zの各成分で表すと,以下(式(4)〜(7))となる。 This represents the basic function of the light guide plate. When Expression (2) is represented by x, y, and z components, the following Expressions (4) to (7) are obtained.

Figure 2020008599
Figure 2020008599

ここでx,y,zの添え字は各波数ベクトルのx,y,z成分を表している。 Here, the subscripts of x, y, and z represent the x, y, and z components of each wave number vector.

ここで,   here,

Figure 2020008599
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のとき,波数ベクトルが虚数となるが,これは指定された条件で回折光線が発生しないことを示している。 When, the wave vector becomes an imaginary number, which indicates that no diffracted light beam is generated under the specified conditions.

Figure 2020008599
Figure 2020008599

により回折光線の発生を以下のように定義する(式(8))。 Defines the generation of diffracted light as follows (Equation (8)).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

回折効率を Diffraction efficiency

Figure 2020008599
Figure 2020008599

とすると,エネルギー保存則により,以下(式(9))である。 Then, according to the law of conservation of energy, the following is (Equation (9)).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

回折格子の波数ベクトルKとz軸の張る面内の入射角をθとして,回折光の有無と入射角依存性を考慮した回折効率 Assuming that the incident angle in the plane where the wave vector K n of the diffraction grating and the z-axis extend is θ n , the diffraction efficiency in consideration of the presence or absence of the diffracted light and the incident angle dependence

Figure 2020008599
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を以下のようにモデル化する(式(10))。 Is modeled as follows (Equation (10)).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

ここで,η mnは,n番目の交差点の回折次数mの垂直入射における回折効率である。式(10)の右辺第2項は回折光線の発生の有無に,第3項はエネルギー保存則に,第4項はγを定数とした入射角依存性に,それぞれ対応している。 Here, eta 0 mn is the n-th intersection diffraction efficiency at normal incidence diffraction order m n of. The second term on the right side of equation (10) corresponds to the presence or absence of generation of a diffracted light beam, the third term corresponds to the law of conservation of energy, and the fourth term corresponds to the incident angle dependence with γ as a constant.

一方、モンテカルロ光線追跡法を採用する市販ソフトウェアとしては照明光学系の設計向けのLightTools(商標)等があるが,角度依存性は扱うことができないため,回折効率は以下となる(式(11))。   On the other hand, there is LightTools (trademark) for designing an illumination optical system as commercially available software that employs the Monte Carlo ray tracing method. However, since the angle dependence cannot be treated, the diffraction efficiency becomes as follows (Equation (11)). ).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

ここでは,入射回折格子と同じブレーズ型の回折格子としてEdmund 社製の1,800本/mm密度の市販素子#47-551を用い,波長532nmにおける入射角と回折効率の関係を測定した。   Here, the relationship between the incident angle at a wavelength of 532 nm and the diffraction efficiency was measured using a commercial element # 47-551 of 1,800 lines / mm density manufactured by Edmund as the same blazed diffraction grating as the incident diffraction grating.

図8に,1次回折効率の測定結果と式(10)に基づく回折モデルの比較結果を示す。黒丸で示す実験結果801から,正と負の1次回折光が共に発生する入射角度の範囲はプラスマイナス3°であった。図に見られるように+1次回折光は入射角−3°以上で発生し,+3°までは−1次回折光と併存し,+3°以上で−1次回折光が消失する。図中の従来モデル802は,式(11)の回折モデルを示しており,回折効率が入射角によらず一定であるため,入射角に応じて正と負の1次回折光の併存時,−1次光の消失時,および入射角の増大による回折効率の減少を表すことができない。一方,式(10)のモデル803では,ブレーズ回折格子の回折効率の角度依存性を簡潔に表すことが可能なことが判る。   FIG. 8 shows a measurement result of the first-order diffraction efficiency and a comparison result of the diffraction model based on the equation (10). From the experimental results 801 indicated by black circles, the range of the incident angle at which both positive and negative first-order diffracted lights are generated was ± 3 °. As shown in the figure, the + 1st-order diffracted light is generated at an incident angle of −3 ° or more, coexists with the −1st-order diffracted light up to + 3 °, and disappears at + 3 ° or more. The conventional model 802 in the figure shows the diffraction model of the equation (11). Since the diffraction efficiency is constant irrespective of the incident angle, when the positive and negative first-order diffracted lights coexist according to the incident angle,- When the primary light disappears and when the incident angle increases, the diffraction efficiency cannot be reduced. On the other hand, in the model 803 of the equation (10), it can be seen that the angle dependence of the diffraction efficiency of the blazed diffraction grating can be simply represented.

式(10)のモデルを実装したモンテカルロシミュレータにより,本実施例の画像素子に好適なパラメータ条件について述べる。以下では,特に指定しない場合,次のシミュレーション条件を用いる。RGB光源の波長はR=635nm,G=550nm,B=460nm,光源の波長の広がりは各色共通で20nm,投影像のアスペクト比は16:9,画素数は1280x720,導光板に入射するビームの直径は4mm,目の瞳の直径は2mm,目と導光板の距離は17mmである。導光板に関しては,基本構成を特許文献1に記載のものとし,本実施例によりプラスチック化した導光板の屈折率は1.58,導光板の厚さは0.6mm,入射回折格子の大きさは5mmx5mm,出射回折格子の大きさは十分に大きいものとする。また,目,導光板のエッジでの光の反射を無視する。   A parameter condition suitable for the image element of this embodiment will be described using a Monte Carlo simulator in which the model of Expression (10) is mounted. In the following, the following simulation conditions are used unless otherwise specified. The wavelength of the RGB light source is R = 635 nm, G = 550 nm, B = 460 nm, the wavelength spread of the light source is 20 nm for each color, the aspect ratio of the projected image is 16: 9, the number of pixels is 1280 × 720, and the beam incident on the light guide plate is The diameter is 4 mm, the diameter of the pupil of the eye is 2 mm, and the distance between the eye and the light guide plate is 17 mm. The light guide plate has a basic configuration described in Patent Document 1. The refractive index of the light guide plate made of plastic according to the present embodiment is 1.58, the thickness of the light guide plate is 0.6 mm, and the size of the incident diffraction grating. Is 5 mm × 5 mm, and the size of the output diffraction grating is sufficiently large. Also, the reflection of light at the eyes and at the edges of the light guide plate is ignored.

図9A〜図9Cは出射回折格子のピッチと投影可能な画像のピクセル範囲との関係を示している。ここで縦軸の画素率とは,入・出射回折格子による回折と全反射により瞳に到達する光線の経路が1以上の画素の割合を示し,画素率が1より小さい場合,投影像の一部に欠落が生ずることを意味している。画素率は経路の有無だけで求めることができるため,各回折格子の回折効率や導光板の厚さに依存せずに,導光板の特性を把握できるという利点がある。   9A to 9C show the relationship between the pitch of the output diffraction grating and the pixel range of the image that can be projected. Here, the pixel ratio on the vertical axis indicates the ratio of pixels in which the path of light rays reaching the pupil due to diffraction by the input / output diffraction grating and total reflection is 1 or more. This means that the part is missing. Since the pixel ratio can be obtained only by the presence or absence of the path, there is an advantage that the characteristics of the light guide plate can be grasped without depending on the diffraction efficiency of each diffraction grating and the thickness of the light guide plate.

図9Aは視野角40度の場合の結果である。RGBの各色の波長に応じて,画素率が1となる範囲に違いが生じることが判る。これは,回折格子が強い波長依存性をもつことに対応している。図中に2本矢印で示した条件,回折格子ピッチ約390nm,および470nmからなる、BGとGRに対応する2つの導光板を組み合わせることで,RGB画像の画素率が1となり,画像の投影が可能なことが判る。   FIG. 9A shows the result when the viewing angle is 40 degrees. It can be seen that there is a difference in the range where the pixel ratio is 1 depending on the wavelength of each color of RGB. This corresponds to the fact that the diffraction grating has a strong wavelength dependency. By combining two light guide plates corresponding to BG and GR consisting of the conditions indicated by two arrows in the figure, a diffraction grating pitch of about 390 nm, and 470 nm, the pixel rate of the RGB image becomes 1, and the image projection is performed. It turns out that it is possible.

図9Bは視野角50度の場合の結果である。視野角の増大に応じて,画素率が1となる回折格子のピッチの範囲が狭くなることが判る。各色で画素率が1となる回折格子のピッチの中央値は,それぞれ約360,440,520nmである。図中に3本矢印で示した回折格子ピッチをもつ、B,G,Rそれぞれに対応する3枚の導光板を組み合わせることで,全画面の画像投影が可能なことが判る。   FIG. 9B shows the result when the viewing angle is 50 degrees. It can be seen that as the viewing angle increases, the range of the pitch of the diffraction grating where the pixel ratio becomes 1 becomes narrower. The median value of the pitch of the diffraction grating having a pixel ratio of 1 for each color is about 360, 440, and 520 nm, respectively. It can be seen that full-screen image projection is possible by combining three light guide plates corresponding to B, G, and R, respectively, having a diffraction grating pitch indicated by three arrows in the figure.

図9Cは視野角70度の場合の結果である。視野角の増大に応じて,画素率が小さくなり,最大値は1未満となることが判る。これは,1つの回折格子ピッチを有する導光板では,RGBのいずれかの色の画像を全面に投影できないことを意味している。この場合,2つ以上の導光板で表示画像の領域を分担することで,R+G+B≧1とすることで,全画面の画像の投影が可能となる。図中の4本の矢印で示した4枚の導光板を組み合わせることで,全画面の画像投影が可能になる。4枚の導光板は、例えばBの短波長領域、Bの長波長領域およびGの短波長領域、Gの長波長領域およびRの短波長領域、およびRの長波長領域に対応する。いずれにしても、回折格子ピッチ300nm〜550nmの範囲で、異なる回折格子ピッチを持つ複数の回折格子に可視波長領域を分担させる。   FIG. 9C shows the result when the viewing angle is 70 degrees. It can be seen that the pixel ratio decreases as the viewing angle increases, and the maximum value becomes less than 1. This means that a light guide plate having one diffraction grating pitch cannot project an image of any of RGB colors onto the entire surface. In this case, the area of the display image is shared by two or more light guide plates, and by setting R + G + B ≧ 1, it is possible to project an image of the entire screen. By combining four light guide plates indicated by four arrows in the figure, image projection of the entire screen becomes possible. The four light guide plates correspond to, for example, a short wavelength region of B, a long wavelength region of B and a short wavelength region of G, a long wavelength region of G and a short wavelength region of R, and a long wavelength region of R. In any case, the visible wavelength region is shared by a plurality of diffraction gratings having different diffraction grating pitches in the range of 300 nm to 550 nm.

以下,同様に本実施例の導光板では,投影する画像の視野角に応じて回折格子のピッチと枚数を適切に設定することができる。本実施例では導光板を低コストで提供することを目的としているため,基板材料として用いられるプラスチック材料の屈折率は最大で1.7程度である。基板材料の屈折率が大きくなると,それに略反比例した回折格子ピッチを選択することで,表示する画像範囲を最大化することが可能である。このとき,画素率が1となる範囲も大きくなるため,結果として,基板材料の屈折率が大きいものを選択することで,大きな視野角の画像投影が可能となる。プラスチック材料に限定した場合,本実施例で対応可能な視野角の最大値は80度程度である。導光板を低コストで提供するためには,導光板数を1枚にすることが望ましい。図10以下でこのときの視野角と画素率の関係を述べる。   Hereinafter, similarly, in the light guide plate of this embodiment, the pitch and the number of diffraction gratings can be appropriately set according to the viewing angle of the image to be projected. Since the purpose of this embodiment is to provide the light guide plate at low cost, the refractive index of the plastic material used as the substrate material is about 1.7 at the maximum. When the refractive index of the substrate material increases, it is possible to maximize the image range to be displayed by selecting a diffraction grating pitch substantially in inverse proportion thereto. At this time, the range in which the pixel ratio is 1 is also large. As a result, by selecting a substrate material having a large refractive index, an image can be projected with a large viewing angle. When limited to plastic materials, the maximum viewing angle that can be handled in this embodiment is about 80 degrees. In order to provide the light guide plate at low cost, it is desirable to reduce the number of light guide plates to one. The relationship between the viewing angle and the pixel ratio at this time will be described below with reference to FIG.

図10A〜図10Cは出射回折格子ピッチと画素率の関係を示す別のシミュレーション結果であり,図10A,B,Cはそれぞれ視野角30,25,20度の場合を示している。図中に示した矢印は,1枚の導光板でRGB画像を投影するのに好適な回折格子ピッチの条件であり,ほぼRとBの特性の交点に対応する。この例の場合,基板の屈折率が1.58のときに425nmを中心にプラスマイナス25nm程度(400nm〜450nm)である。図10A〜図10Cに見られるように,本実施例によれば,1枚の導光板で概略25度まで,画像の投影が可能なことが判る。ただし,図10B〜図10Cのように視野角が大きくなると,赤色画像(R)あるいは青色画像(B)の一部が表示されなくなる場合がある。   10A to 10C show another simulation result showing the relationship between the output diffraction grating pitch and the pixel ratio, and FIGS. 10A, 10B, and 10C show the cases where the viewing angles are 30, 25, and 20 degrees, respectively. The arrow shown in the figure is a condition of the diffraction grating pitch suitable for projecting an RGB image with one light guide plate, and substantially corresponds to the intersection of the R and B characteristics. In the case of this example, when the refractive index of the substrate is 1.58, it is about ± 25 nm (400 nm to 450 nm) centering on 425 nm. As can be seen from FIGS. 10A to 10C, according to the present embodiment, it can be seen that an image can be projected up to approximately 25 degrees with one light guide plate. However, when the viewing angle increases as shown in FIGS. 10B to 10C, a part of the red image (R) or the blue image (B) may not be displayed.

図11Aおよび図11Bは視野角25度の場合の画素率を示すシミュレーション結果である。ここでは,波長ごとの画素率を輝度で表示している。図中で,輝度が高い領域が白、輝度が低い領域が灰色で示されている。   FIGS. 11A and 11B are simulation results showing the pixel ratio when the viewing angle is 25 degrees. Here, the pixel ratio for each wavelength is displayed by luminance. In the figure, a high luminance area is shown in white, and a low luminance area is shown in gray.

図11Aは,基板の屈折率1.58,回折格子ピッチ425nmの結果である。図中の白色領域1101は,RGBの全ての画像を表示できることを示す。図中,上部の灰色領域1102は青色画像(B)が表示されない領域,下部の灰色領域1103は赤色画像(R)が表示されない領域を示している。   FIG. 11A shows the result when the refractive index of the substrate is 1.58 and the diffraction grating pitch is 425 nm. A white area 1101 in the figure indicates that all the RGB images can be displayed. In the figure, the upper gray area 1102 indicates an area where the blue image (B) is not displayed, and the lower gray area 1103 indicates an area where the red image (R) is not displayed.

図11Bは,基板の屈折率1.70,回折格子ピッチ395nmの結果であり,全ての領域1104でRGB画像の投影が可能であることが判る。これは,前述のように基板の屈折率を大きくすることにより,導光板内を全反射により導光可能な光線の波数ベクトルの角度範囲が大きくなることに対応したものである。このとき,回折格子ピッチは,屈折率に略反比例,好ましくは屈折率の平方根に反比例したものを選択すると良い。ここに示した結果は,後者の関係により回折格子ピッチを定めたものである。   FIG. 11B shows the result when the refractive index of the substrate is 1.70 and the diffraction grating pitch is 395 nm. It can be seen that RGB images can be projected in all the regions 1104. This corresponds to the fact that by increasing the refractive index of the substrate as described above, the angle range of the wave vector of the light beam that can be guided by total reflection in the light guide plate is increased. At this time, it is good to select a diffraction grating pitch that is substantially inversely proportional to the refractive index, preferably, inversely proportional to the square root of the refractive index. The results shown here determine the diffraction grating pitch based on the latter relationship.

ヘッドマウントディスプレイ向けの導光板では,入射回折格子の回折効率は投影像の輝度と消費電力の観点から10%〜80%の範囲,好ましくは30%〜70%の範囲の1次回折効率を有することが望ましい。一方,出射回折格子は,光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため,0.1%〜10%,好ましくは0.2〜7.5%、さらに好ましくは0.5〜5%の1次回折効率を有することが望ましい。回折格子の回折効率は形成された周期的凹凸パターンのピッチ,高さ,形状によって定められる。DVDやBD等のように光ディスクとして量産されているものプロセス技術を活用して,導光板を作成するためには,回折格子のピッチ,高さ,形状について,プロセス技術の適合性について議論する必要がある。   In a light guide plate for a head-mounted display, the diffraction efficiency of the incident diffraction grating has a first-order diffraction efficiency in the range of 10% to 80%, and preferably in the range of 30% to 70% from the viewpoint of the brightness of the projected image and power consumption. It is desirable. On the other hand, the output diffraction grating performs 0.1% to 10%, preferably 0.2% to 7.5%, and more preferably 0. It is desirable to have a primary diffraction efficiency of 5-5%. The diffraction efficiency of the diffraction grating is determined by the pitch, height, and shape of the formed periodic uneven pattern. Discs such as DVDs and BDs, which are mass-produced as optical disks, need to discuss the suitability of the process technology for the pitch, height, and shape of the diffraction grating in order to create a light guide plate using process technology. There is.

広く普及しているDVD,BD等の光ディスクでは,ポリカーボネート材料が用いられている。射出成型法で形成されたポリカーボネート基板の表面には光スポットの案内溝として320nm(25GB容量BD)から740nm(4.7GB容量DVD)のピッチで,深さ10〜100nmの周期的な凹凸パターンが光スポットの案内溝やコーディングされたデータとして形成されている。ポリカーボネート基板の表面にスパッタリング法で光学薄膜をコーティングすることにより,再生専用や書換え型の光ディスクは量産されており,基板は安価に供給されている。   In optical disks such as DVDs and BDs, which are widely used, polycarbonate materials are used. On the surface of the polycarbonate substrate formed by the injection molding method, a periodic uneven pattern having a pitch of 320 nm (25 GB capacity BD) to 740 nm (4.7 GB capacity DVD) and a depth of 10 to 100 nm is formed as a light spot guide groove. It is formed as spot guide grooves or coded data. By coating an optical thin film on the surface of a polycarbonate substrate by a sputtering method, a read-only or rewritable optical disk is mass-produced, and the substrate is supplied at a low cost.

また,光ディスクにはデータ面を2層にすることで,記録容量を増加したものがあり,映画のDVDやBDはほぼ全てが2層化されている。第2層はポリカーボネート基板の上に2P(Photo Polymerization)法によりUV効果樹脂で凹凸パターンが形成される。光ディスクの量産プロセスを活用することにより,低コストで導光板を作成できる。このとき,重量はガラスの比重2.5に比較してポリカーボネートは1.2のため1/2以下に軽量化できる。   Some optical discs have a two-layer data surface to increase the recording capacity, and almost all movie DVDs and BDs have two layers. In the second layer, a concavo-convex pattern is formed on a polycarbonate substrate by a 2P (Photo Polymerization) method using a UV effect resin. By utilizing the mass production process of optical disks, a light guide plate can be produced at low cost. At this time, the weight of polycarbonate is 1.2 compared to the specific gravity of glass of 2.5, so the weight can be reduced to less than 1/2.

図12は光ディスクの量産プロセス技術を本実施例の導光板に活用するための適合性についてまとめたものである。図中の導光板のパラメータは,上に示したシミュレーション結果に基づくものである。これらのパラメータは投影する画像のアスペクト比や視野角により適正な値が変化するものであり,本実施例の導光板に適正なパラメータが図中の数値に限定される訳ではないことを明記しておく。図中,材料,厚さ,屈折率,出射および入射の回折格子のピッチに関しては,本実施例の導光板は光ディスクとして量産されているものの条件の範囲内にあり,適合性が高いことが判る。これは両者が可視光を光源として用い,画質や記録容量を最大にするために,回折限界に近い回折格子(凹凸パターン)を採用しているためである。   FIG. 12 summarizes the suitability for utilizing the optical disk mass production process technology for the light guide plate of the present embodiment. The parameters of the light guide plate in the figure are based on the simulation results shown above. These parameters change their proper values depending on the aspect ratio and the viewing angle of the image to be projected, and clearly indicate that the proper parameters for the light guide plate of the present embodiment are not limited to the numerical values in the figure. Keep it. In the figure, regarding the material, thickness, refractive index, and pitch of the outgoing and incoming diffraction gratings, the light guide plate of this embodiment is within the range of the condition of the mass-produced optical disc, and it can be seen that the suitability is high. . This is because both employ visible light as a light source and employ a diffraction grating (concavo-convex pattern) close to the diffraction limit in order to maximize image quality and recording capacity.

出射回折格子に関しては,光ディスクの案内溝と同じ矩形の断面形状で実現でき,パターンの高さも同等であるから,射出成型プロセスをそのまま活用することが可能である。入射回折格子に関しては,光利用効率を高めるために高さが200〜400nm程度の三角形の断面形状をもつブレーズ型回折格子が本実施例の導光板に適しているため,射出成型法の適合性はやや劣ると判断される。一方で,2P法は粘度の低いUV硬化樹脂を用いるためパターンの転写性に優れており,入射回折格子の形成には2P法が適していると言える。前述の試作素子は,射出成型法で作成されたポリカーボネート製の光ディスク基板の上に,2P法によりブレーズ型回折格子を形成し,それが導波と光線の複製という導光板の基本機能をもつことを示している。したがって,図中の入射回折格子の形成に光ディスクのプロセス技術である2P法を活用することが可能であることが証明されている。   The output diffraction grating can be realized with the same rectangular cross-sectional shape as the guide groove of the optical disk, and the height of the pattern is equivalent, so that the injection molding process can be used as it is. As for the incident diffraction grating, a blazed diffraction grating having a triangular cross-sectional shape with a height of about 200 to 400 nm is suitable for the light guide plate of this embodiment in order to enhance the light use efficiency. It is judged to be slightly inferior. On the other hand, since the 2P method uses a UV-curable resin having a low viscosity, the pattern transferability is excellent, and it can be said that the 2P method is suitable for forming an incident diffraction grating. The prototype element described above has a blazed diffraction grating formed by a 2P method on an optical disk substrate made of polycarbonate by injection molding, and it has the basic function of a light guide plate that guides and replicates light rays. Is shown. Therefore, it has been proved that it is possible to utilize the 2P method, which is a process technology of an optical disk, for forming the incident diffraction grating in the figure.

投影像の輝度と画質は主として出射グレーティングの回折効率によって支配される。次に回折効率と凹凸パターンの高さの関係について,さらに詳細に述べる。   The brightness and image quality of the projected image are mainly governed by the diffraction efficiency of the output grating. Next, the relationship between the diffraction efficiency and the height of the uneven pattern will be described in more detail.

図13は電磁場計算(FDTD法;Finite Differential Time Domain法)により求めた出射回折格子の高さと回折効率の関係を示している。ここでは,RGB波長帯の中央である緑色に対応して波長を550nm,回折格子のパターンのピッチを440nmとし,グレーティングの形状は矩形とした。   FIG. 13 shows the relationship between the height of the output diffraction grating and the diffraction efficiency obtained by electromagnetic field calculation (FDTD method; Finite Differential Time Domain method). Here, the wavelength is set to 550 nm, the pitch of the pattern of the diffraction grating is set to 440 nm, and the shape of the grating is rectangular, corresponding to green, which is the center of the RGB wavelength band.

グレーティングの高さは位相差として光ビームに作用する。これを反映して,結果は減衰振動型の周期応答を示している。出射グレーティングとして実用的な領域は,位相差が概略λ/4以下となる200nmまでの高さの範囲であり,回折効率の最大値は約7%であることが判る。図13から出射回折格子の1次回折効率の目安は、0.1%〜7.5%、好ましくは0.5%〜5.0%程度である。前述のように,光ディスクのプロセス技術を応用する場合,回折格子の凹凸パターンの高さは100nm程度,すなわち回折効率4%程度以下が適すると言える。   The height of the grating acts on the light beam as a phase difference. Reflecting this, the result shows a damped oscillation type periodic response. It can be seen that a practical area for the output grating is a height range up to 200 nm where the phase difference is approximately λ / 4 or less, and the maximum value of the diffraction efficiency is about 7%. From FIG. 13, the standard of the first-order diffraction efficiency of the output diffraction grating is about 0.1% to 7.5%, and preferably about 0.5% to 5.0%. As described above, when the process technology of the optical disk is applied, it can be said that the height of the uneven pattern of the diffraction grating is about 100 nm, that is, the diffraction efficiency is about 4% or less.

図14Aおよび図14Bは出射回折格子の回折効率と投影像の輝度と輝度ムラの関係を計算した結果である。波長と出射回折格子のピッチ条件は上と同じとし,投影像の画角は40度とした。導光板の厚さは「特許文献1」に対応して一般的なガラス製の基板厚さ1.0mm,およびDVDの基板厚さである0.6mm,およびBlu−ray Discのカバー層の厚さ0.1mmの3種類である。   14A and 14B show the results of calculating the relationship between the diffraction efficiency of the output diffraction grating, the luminance of the projected image, and the luminance unevenness. The wavelength and the pitch condition of the output diffraction grating were the same as above, and the angle of view of the projected image was 40 degrees. The thickness of the light guide plate corresponds to the thickness of the general glass substrate of 1.0 mm, the thickness of the DVD substrate of 0.6 mm, and the thickness of the cover layer of the Blu-ray Disc corresponding to "Patent Document 1". There are three types with a thickness of 0.1 mm.

図14Aは出射グレーティングの回折効率と,投影像の中央の輝度の関係を示す。図中の縦軸は,光利用効率に比例したものである。図中に矢印で示す3点はそれぞれ中央輝度が最大となる条件であり,基板厚さ0.1mm,0.6mm,1.0mmの場合にそれぞれ,回折効率は0.7%,3.5%,5.5%である。   FIG. 14A shows the relationship between the diffraction efficiency of the output grating and the luminance at the center of the projected image. The vertical axis in the figure is proportional to the light use efficiency. The three points indicated by arrows in the figure are the conditions under which the center luminance is maximized, and the diffraction efficiencies are 0.7% and 3.5 when the substrate thickness is 0.1 mm, 0.6 mm and 1.0 mm, respectively. % And 5.5%.

導光板の厚さが厚くなると大きな回折効率で最大輝度が得られることが判る。これは,光線と出射グレーティングの交差する回数が,導光板の厚さに反比例するという幾何的な条件を反映したものである。   It can be seen that when the thickness of the light guide plate is increased, the maximum luminance can be obtained with a large diffraction efficiency. This reflects a geometric condition that the number of times the light beam and the output grating intersect is inversely proportional to the thickness of the light guide plate.

図14Bは出射回折格子の回折効率と投影像の輝度のRMS(Root Mean Square:二乗平均平方根)値の関係を示している。図中の縦軸は,中央輝度で規格化した相対値である。図中に矢印で示す3点はそれぞれ輝度のRMS値が最小,すなわち輝度ムラが最小となる条件であり,基板厚さ0.1mm,0.6mm,1.0mmの場合にそれぞれ,回折効率は0.3%,1.7%,2.3%である。   FIG. 14B shows the relationship between the diffraction efficiency of the output diffraction grating and the RMS (Root Mean Square) value of the luminance of the projected image. The vertical axis in the figure is a relative value normalized by the center luminance. The three points indicated by arrows in the figure are the conditions under which the RMS value of the luminance is minimum, that is, the luminance unevenness is minimum. When the substrate thickness is 0.1 mm, 0.6 mm, and 1.0 mm, respectively, the diffraction efficiency is 0.3%, 1.7% and 2.3%.

このように,中央輝度と輝度のRMS値は最良となる条件が一致しないことが判る。したがって,輝度を優先する用途と,輝度ムラを優先する用途に応じて出射回折格子の回折効率を適切に選択することが好ましい。   Thus, it can be seen that the conditions for the RMS values of the center luminance and the luminance do not match the best conditions. Therefore, it is preferable to appropriately select the diffraction efficiency of the output diffraction grating according to the application in which luminance is prioritized and the application in which luminance unevenness is prioritized.

選択手法の一例としては,所定の導光板の厚さにおいて,像中央の輝度が最大となる条件と,輝度ムラが最小となる条件の間に回折効率を設定する。例えば,投影像の画角が40度の条件において,基板厚さ0.1mmでは,本実施例が提示する出射回折格子の回折効率の範囲では,0.3%から5.5%の間である。本実施例によれば,投影像の画角や導光板に入射するビームの直径等の条件に応じて,先に提示したシミュレーション方法を用いて,出射回折格子の適切な回折効率を定めることができる。   As an example of the selection method, for a given thickness of the light guide plate, the diffraction efficiency is set between a condition where the luminance at the center of the image is maximum and a condition where the luminance unevenness is minimum. For example, under the condition that the angle of view of the projected image is 40 degrees, when the substrate thickness is 0.1 mm, in the range of the diffraction efficiency of the output diffraction grating presented in this embodiment, the range is from 0.3% to 5.5%. is there. According to this embodiment, it is possible to determine the appropriate diffraction efficiency of the output diffraction grating by using the simulation method presented above according to conditions such as the angle of view of the projected image and the diameter of the beam incident on the light guide plate. it can.

以上により,導光板では回折格子のピッチと回折効率の他に,基板の厚さが投影像の画質に重要な関与をすることが判った。同時に,中央輝度と輝度ムラが出射グレーティングの回折効率に対してトレードオフの関係にあることを示した。本実施例では,光ディスクのプロセス技術の活用により,安価に導光板を提供することを目的としている。   From the above, it was found that in the light guide plate, in addition to the pitch of the diffraction grating and the diffraction efficiency, the thickness of the substrate has an important role in the image quality of the projected image. At the same time, it was shown that the center luminance and the luminance unevenness have a trade-off relationship with the diffraction efficiency of the output grating. The purpose of the present embodiment is to provide a light guide plate at low cost by utilizing the process technology of the optical disk.

図12の説明にて,図中の数値が本発明の技術範囲を限定しない旨を述べたが,この理由は,基板の厚さが画質を左右する重要なパラメータであることに依っている。同時に,本実施例の導光板として,出射回折格子の回折効率を高めたい用途で,かつ凹凸パターンの高さがプロセス技術の条件範囲と適合しない場合,基板を薄くすることで,実効的に回折効率を増大させることにより解決可能なことを示した。   In the description of FIG. 12, it has been described that the numerical values in the figure do not limit the technical scope of the present invention, but this is because the thickness of the substrate is an important parameter that affects the image quality. At the same time, if the light guide plate of this embodiment is used for increasing the diffraction efficiency of the output diffraction grating and the height of the concave / convex pattern does not conform to the condition range of the process technology, the substrate can be effectively thinned by making it thinner. It was shown that it could be solved by increasing the efficiency.

図15は光ディスクの量産プロセスを活用した,複数波長に対応する導光板を形成するプロセス全体を示す摸式図である。
(ステップ1)では,EB描画法等で作成したSiマスターから,入射回折格子用の母型301と出射回折格子用の母型302を準備する。続いて(ステップ2)で出射回折格子用の母型302と射出成型法により,出射回折格子303を形成したポリカーボネートの基板304を作成する。その上に(ステップ3)で入射回折格子用の母型301と2P法により入射回折格子を形成することで1枚の導光板1500を作成する。最後に(ステップ4)で,必要に応じてRGBの各色に対応した導光板1500を複数枚組み合わせて,本実施例の導光板を完成させる。
FIG. 15 is a schematic diagram showing an entire process of forming a light guide plate corresponding to a plurality of wavelengths by utilizing a mass production process of optical disks.
In (Step 1), a master block 301 for the incident diffraction grating and a master block 302 for the output diffraction grating are prepared from the Si master created by the EB drawing method or the like. Subsequently, in step (2), a polycarbonate substrate 304 on which an output diffraction grating 303 is formed is formed by an injection diffraction matrix and an injection molding method. Then, in step (3), one light guide plate 1500 is formed by forming an incident diffraction grating by the 2P method with the matrix 301 for the incident diffraction grating. Finally (Step 4), the light guide plate 1500 of this embodiment is completed by combining a plurality of light guide plates 1500 corresponding to each color of RGB as needed.

図16は本実施例の入射回折格子の作成プロセスを示す摸式図である。図16の上半分ではまず、予めEB描画法等を用いてSi等の上に凹凸パターンを形成した入射回折格子のマスター(母型)1601を準備する。2P法用の樹脂スタンパとなる母型301Rは以下により準備する。マスター1601の上に粘土やパターンの転写性等を考慮して選択したUV硬化樹脂1602を滴下した後,透明基板1603を用いて(A)加圧する。ついで,(B)紫外線による露光,(C)剥離を順次行って,樹脂スタンパ301Rを準備する。ここで用いるUV露光装置としてはコンベア式露光装置等を選択することができる。   FIG. 16 is a schematic view showing the process of making the incident diffraction grating of this embodiment. In the upper half of FIG. 16, first, a master (matrix) 1601 of an incident diffraction grating in which a concavo-convex pattern is formed on Si or the like in advance using an EB drawing method or the like is prepared. A mother die 301R serving as a resin stamper for the 2P method is prepared as follows. After the UV curable resin 1602 selected in consideration of the transfer properties of the clay and the pattern is dropped on the master 1601, the (A) pressure is applied using the transparent substrate 1603. Next, (B) exposure with ultraviolet light and (C) peeling are sequentially performed to prepare a resin stamper 301R. As the UV exposure apparatus used here, a conveyor type exposure apparatus or the like can be selected.

図16の下半分では,予め射出成型法で出射回折格子を形成したポリカーボネート基板304Rの上に入射回折格子307Rを形成するプロセスを示す。樹脂スタンパ301Rの剥離性を高めるために,予め樹脂スタンパ表面に金属剥離層としてTi膜等を30nm程度成膜しておくとよい。   The lower half of FIG. 16 shows a process of forming an incident diffraction grating 307R on a polycarbonate substrate 304R on which an output diffraction grating has been formed in advance by an injection molding method. In order to enhance the releasability of the resin stamper 301R, a Ti film or the like as a metal release layer having a thickness of about 30 nm is preferably formed on the surface of the resin stamper in advance.

出射回折格子303が形成された基板304Rに,UV硬化樹脂1604を滴下した後,(D)加圧,(E)紫外線による露光,(F)剥離を順次行い入射回折格子307Rを形成する。ここで用いるUV硬化樹脂1604は,剥離性や転写性に加えて屈折率を考慮して,上述のUV硬化樹脂1602と別のUV硬化樹脂を用いることができる。   After the UV curable resin 1604 is dropped on the substrate 304R on which the output diffraction grating 303 is formed, (D) pressurization, (E) exposure with ultraviolet rays, and (F) separation are sequentially performed to form an incident diffraction grating 307R. As the UV curable resin 1604 used here, a UV curable resin different from the above-described UV curable resin 1602 can be used in consideration of the refractive index in addition to the releasability and transferability.

一般のUV硬化樹脂の屈折率は1.5程度であり,ポリカーボネートの屈折率1.58との差が小さいため,下地の凹凸パターンにより発生する位相差が小さく,回折は1/10以下に抑制される。しかしながら,画質を優先する場合,下地である出射回折格子303の凹凸パターンによる回折は限りなくゼロに近いことが好ましい。この場合には,選択するUV樹脂として屈折率が基板材料に近いものを選択することが有効である。   The refractive index of general UV curable resin is about 1.5, and the difference from the refractive index of polycarbonate is 1.58, so the phase difference generated by the uneven pattern of the base is small, and the diffraction is suppressed to 1/10 or less. Is done. However, when priority is given to image quality, it is preferable that the diffraction due to the concave / convex pattern of the output diffraction grating 303 serving as a base is as close to zero as possible. In this case, it is effective to select a UV resin having a refractive index close to that of the substrate material.

また,前述の反射コーティングは,後から形成した出射回折格子303の凹凸パターンに沿って成膜されるため,実効的に下地の出射回折格子の凹凸パターンの影響を小さくする効果も併せ持つ。また,入射回折格子307Rを形成する領域には,予め出射回折格子303を形成せずに平坦面としておく方法も有効である。さらには,入射回折格子307のUV樹脂と基板材料との密着性を考慮して,例えば240nm程度以下で,可視光波長に対して回折しない条件の狭ピッチの凹凸パターンを形成する方法も効果をもつ。   In addition, since the above-mentioned reflective coating is formed along the concave / convex pattern of the output diffraction grating 303 formed later, it also has an effect of effectively reducing the influence of the concave / convex pattern of the underlying output diffraction grating. It is also effective to form a flat surface without forming the output diffraction grating 303 in advance in the area where the incident diffraction grating 307R is formed. Further, in consideration of the adhesion between the UV resin of the incident diffraction grating 307 and the substrate material, a method of forming a concavo-convex pattern having a narrow pitch of, for example, about 240 nm or less and not diffracting the wavelength of visible light is also effective. Have.

前述の試作素子では,UV樹脂はどちらも同じものを用いた。この後,前述の反射コーティング,ユーザが装着したときのシースルー性を高める目的で反射防止コーティング等を適宜形成する。また,射出成型で作成した基板の表面には,光ディスクで広く用いられるSiOナノ粒子等による撥水,撥油,傷防止処理を予め施しておくことも容易に適用可能である。 In the aforementioned prototype device, the same UV resin was used for both. Thereafter, an anti-reflection coating or the like is appropriately formed for the purpose of enhancing the see-through property when the user wears the above-mentioned reflective coating. Further, it is also possible to easily apply a water-repellent, oil-repellent, or scratch-preventive treatment using SiO 2 nanoparticles or the like, which are widely used in optical disks, to the surface of the substrate formed by injection molding.

次に,導光板に入射するビームの直径に応じて,本実施例の導光板の厚さに適正値があることを示す。入射するビームの直径および出射回折格子の回折効率以外のパラメータは上と同様である。   Next, it is shown that the thickness of the light guide plate of this embodiment has an appropriate value according to the diameter of the beam incident on the light guide plate. Parameters other than the diameter of the incident beam and the diffraction efficiency of the output diffraction grating are the same as above.

図17は,入射するビームの直径4mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果である。ここでは,出射回折格子の1次回折効率を1.7%とした。導光板の厚さTを、(a)2.0mm、(b)1.0mm、(c)0.6mm、(d)0.3mm、(e)0.1mm、と変化させた結果である。   FIG. 17 shows a calculation result of an image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 4 mmφ. Here, the primary diffraction efficiency of the output diffraction grating was set to 1.7%. This is a result of changing the thickness T of the light guide plate to (a) 2.0 mm, (b) 1.0 mm, (c) 0.6 mm, (d) 0.3 mm, and (e) 0.1 mm. .

図17(a)にみられるように,導光板の厚さTが2.0mmの場合,出射回折格子による像の複製作用が回折パターンとして分離されていることが判る。導光板を薄くすることによって,上に述べた幾何的な理由により回折パターンの間隔が小さくなり,基板厚0.6mm以下では回折パターンが重なることが判る。   As can be seen from FIG. 17 (a), when the thickness T of the light guide plate is 2.0 mm, the image duplication effect of the output diffraction grating is separated as a diffraction pattern. It can be seen that, by making the light guide plate thinner, the interval between the diffraction patterns becomes smaller due to the geometrical reasons described above, and the diffraction patterns overlap when the substrate thickness is 0.6 mm or less.

図18Aおよび図18Bに、投影される像の品質として,輝度のRMS値と最大値をまとめた結果を示す。
図18Aに見られるように輝度のRMS値は基板厚が0.5mmから1.0mmの範囲において10%以下となって良好であることが判る。一方で,図18Bに見られるように、最大輝度は基板厚が薄いほど大きくなり,導光板の厚さが0.2mmで最大となる。上の回折効率と同様に,導光板の厚さに関しても,最大輝度と輝度ムラはトレードオフの関係あり,用途に応じて適した値を選択することが可能である。
FIGS. 18A and 18B show the results obtained by summing the RMS value and the maximum value of the luminance as the quality of the projected image.
As can be seen from FIG. 18A, the RMS value of the luminance is 10% or less when the substrate thickness is in the range of 0.5 mm to 1.0 mm, which is good. On the other hand, as can be seen in FIG. 18B, the maximum luminance increases as the substrate thickness decreases, and reaches a maximum when the thickness of the light guide plate is 0.2 mm. Similarly to the above diffraction efficiency, regarding the thickness of the light guide plate, there is a trade-off between the maximum luminance and the luminance unevenness, and it is possible to select an appropriate value according to the application.

図19は,入射するビームの直径1mmφの場合の網膜に投影される像の計算結果である。導光板の厚さTを、(a)2.0mm、(b)1.0mm、(c)0.6mm、(d)0.3mm、(e)0.1mm、と変化させた結果である。   FIG. 19 shows a calculation result of an image projected on the retina when the diameter of the incident beam is 1 mmφ. This is a result of changing the thickness T of the light guide plate to (a) 2.0 mm, (b) 1.0 mm, (c) 0.6 mm, (d) 0.3 mm, and (e) 0.1 mm. .

投影光学系の大きさは概ね入射するビームの直径に比例すると考えてよいので,ここに示す結果は、本実施例の導光板を小型のヘッドマウントディスプレイに適応した場合のものである。ここでは,出射回折格子の1次回折効率を0.85%とした。光線の伝搬角度は回折格子のピッチと入射光の角度と波長で定まるため,これらが一定の場合,光線が網膜に投影されるまでに出射回折格子と交差する回数は基板厚に反比例する。したがって,出射回折格子の回折効率を基板厚に略比例させて設定することにより,光利用効率を概ね一定とすることができる。   Since the size of the projection optical system can be considered to be substantially proportional to the diameter of the incident beam, the results shown here are obtained when the light guide plate of this embodiment is applied to a small head-mounted display. Here, the primary diffraction efficiency of the output diffraction grating is set to 0.85%. Since the propagation angle of the light beam is determined by the pitch of the diffraction grating, the angle and the wavelength of the incident light, when these are constant, the number of times the light beam intersects with the output diffraction grating before being projected onto the retina is inversely proportional to the substrate thickness. Therefore, by setting the diffraction efficiency of the output diffraction grating substantially in proportion to the substrate thickness, the light use efficiency can be made substantially constant.

図19(a)に見られるように,導光板の厚が2.0mmの場合,出射回折格子による像の複製作用が回折パターンとして分離されていることが判る。導光板を薄くすることによって,回折パターンの間隔が小さくなり,導光板の厚0.6mm以下では回折パターンが重なることが判る。   As can be seen from FIG. 19 (a), when the thickness of the light guide plate is 2.0 mm, the duplication of the image by the output diffraction grating is separated as a diffraction pattern. It can be seen that by making the light guide plate thinner, the interval between the diffraction patterns becomes smaller, and the diffraction patterns overlap when the light guide plate thickness is 0.6 mm or less.

図20Aおよび図20Bに、輝度のRMS値と最大値をまとめた結果を示す。図20Aに見られるように輝度のRMS値は、基板厚が0.2mmから0.5mmの範囲において10%以下となって良好であることが判る。一方で,図20Bに見られるように最大輝度は導光板の厚が薄いほど大きくなる。これらの関係から,同様に用途に応じて適した導光板の厚さを選択することが可能である。   FIGS. 20A and 20B show the results obtained by summarizing the RMS value and the maximum value of the luminance. As can be seen from FIG. 20A, the RMS value of the luminance is good at 10% or less when the substrate thickness is in the range of 0.2 mm to 0.5 mm. On the other hand, as shown in FIG. 20B, the maximum luminance increases as the thickness of the light guide plate decreases. From these relations, it is also possible to select a suitable thickness of the light guide plate according to the application.

以上のように,本実施例の導光板は,入射するビームの直径に応じて導光板の厚さと出射回折格子の回折効率を適切に選択することにより,輝度が高く,輝度ムラが小さなヘッドマウントディスプレイ向けの導光板を提供することができる。ここでは,画角が40度と比較的広い場合について本実施例の作用を提示した。この場合,入射するビームの直径が1mmから4mmの範囲において,導光板の適切な厚さは0.2mmから1.0mmであり,両者には概略比例の関係がある。本実施例によれば,入射するビームの直径が,ここに例示した範囲を超える場合,この比例関係を利用して,適性な導光板の厚さを簡便に求めることができる。より詳細には,上と同様に本実施例で提示したシミュレーション方法を用いて,適正値を求めることが可能である。   As described above, the light guide plate of the present embodiment has a high brightness and a small brightness unevenness by appropriately selecting the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating according to the diameter of the incident beam. A light guide plate for a display can be provided. Here, the operation of the present embodiment has been presented for a case where the angle of view is relatively wide at 40 degrees. In this case, when the diameter of the incident beam is in the range of 1 mm to 4 mm, the appropriate thickness of the light guide plate is 0.2 mm to 1.0 mm, and the two have a roughly proportional relationship. According to the present embodiment, when the diameter of the incident beam exceeds the range exemplified here, an appropriate thickness of the light guide plate can be easily obtained by utilizing this proportional relationship. More specifically, an appropriate value can be obtained by using the simulation method presented in the present embodiment as in the above.

実施例4の図17〜図20に示したように,本実施例に好適な導光板の厚さと出射回折格子の回折効率は,導光板に入射する映像情報を含む光線群であるビームの直径に応じて適正な値があることを示した。導光板内部を全反射しながら伝搬する光線の波数は,波長,入射角,導光板の屈折率,および入射回折格子のピッチで定まり,式(2)から式(7)で示される。回折次数m=1として、映像情報を含む光線が導光板の入射回折格子に垂直入射する場合の伝播角度θp0は次式(12)で表される。 As shown in FIGS. 17 to 20 of the fourth embodiment, the thickness of the light guide plate and the diffraction efficiency of the output diffraction grating suitable for the present embodiment are determined by the diameter of the beam, which is a group of light rays including image information incident on the light guide plate. It is shown that there is an appropriate value according to. The wave number of a light beam that propagates while totally reflecting inside the light guide plate is determined by the wavelength, the incident angle, the refractive index of the light guide plate, and the pitch of the incident diffraction grating, and is expressed by Expressions (2) to (7). Assuming that the diffraction order m n = 1, the propagation angle θ p0 when the light beam including the image information is vertically incident on the incident diffraction grating of the light guide plate is expressed by the following equation (12).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

ここで、nは基板(導光板)の屈折率、Pは回折格子のピッチ、λは光線の波長である。上の例に従って,波長を550nm,回折格子のピッチを440nmとし,導光板の屈折率を1.58とすると、θp0は52.3°となる。導光板の厚さがtのとき,光線と出射回折格子が交差する点の間隔Lは,以下の式(13)となる。 Here, ns is the refractive index of the substrate (light guide plate), P is the pitch of the diffraction grating, and λ is the wavelength of the light beam. According to the above example, when the wavelength is 550 nm, the pitch of the diffraction grating is 440 nm, and the refractive index of the light guide plate is 1.58, θ p0 is 52.3 °. When the thickness of the light guide plate is t, the interval L between points where the light beam and the output diffraction grating intersect is represented by the following equation (13).

Figure 2020008599
Figure 2020008599

図21は導光板(基板)の厚さとビーム間隔Lの関係を示す例である。光源の波長の広がりの効果を除いて考えると,導光板に入射するビームの直径がLに比較して小さい場合,ユーザが認識する映像情報は図17(a)のように不連続な輝点パターンとなる。すなわち、図21はビームの直径が一定の前提では、導光板の厚さが厚くなると画質が劣化することを示している。   FIG. 21 is an example showing the relationship between the thickness of the light guide plate (substrate) and the beam interval L. Considering the effect of the spread of the wavelength of the light source, if the diameter of the beam incident on the light guide plate is smaller than L, the video information recognized by the user is a discontinuous bright spot as shown in FIG. It becomes a pattern. That is, FIG. 21 shows that the image quality is degraded when the thickness of the light guide plate is increased on the assumption that the beam diameter is constant.

ここでは,導光板の厚さと出射回折格子の回折効率とユーザが認識する像の品質の関係を示すため,入射するビームの直径がLに等しい場合について考察する。図17から図20に例示したのと同様な計算を実施して,導光板の厚さに対して輝度が最大となる出射回折格子の回折効率,および輝度ムラ(輝度RMS値)が最小となる出射回折格子の回折効率を,それぞれ求めた。   Here, in order to show the relationship between the thickness of the light guide plate, the diffraction efficiency of the output diffraction grating, and the quality of the image recognized by the user, a case where the diameter of the incident beam is equal to L will be considered. A calculation similar to that illustrated in FIGS. 17 to 20 is performed to minimize the diffraction efficiency of the output diffraction grating and the luminance unevenness (luminance RMS value) at which the luminance becomes maximum with respect to the thickness of the light guide plate. The diffraction efficiency of the output diffraction grating was determined.

図22に結果を示す。図13に示したように,出射回折格子が矩形の場合の回折効率の最大値は7.5%である。また,本実施例の光ディスクのプロセスを活用するという観点から,導光板の厚さの下限は,Blu−ray Discのカバー層の厚さ0.1mmが実現性の点から現実的である。図中,斜線で示した領域は,輝度が最大から輝度ムラが最小となる回折効率の範囲であって,かつ回折効率の最大値7.5%以下で,導光板の厚さの下限を0.1mmとする範囲である。すなわち,図22中の斜線領域は,本実施例に好適な導光板の厚さと出射回折格子の回折効率の範囲を,より詳細に示すものである。   FIG. 22 shows the results. As shown in FIG. 13, the maximum value of the diffraction efficiency when the output diffraction grating is rectangular is 7.5%. Further, from the viewpoint of utilizing the process of the optical disk of the present embodiment, the lower limit of the thickness of the light guide plate is realistically 0.1 mm in thickness of the cover layer of the Blu-ray Disc from the viewpoint of feasibility. In the figure, the shaded area is the range of the diffraction efficiency from the maximum luminance to the minimum luminance unevenness, the maximum value of the diffraction efficiency is 7.5% or less, and the lower limit of the thickness of the light guide plate is 0%. .1 mm. That is, the shaded area in FIG. 22 shows the thickness of the light guide plate and the range of the diffraction efficiency of the output diffraction grating suitable for the present embodiment in more detail.

図22より,用途に応じて出射回折格子の回折効率を適宜設定した場合,本実施例に好適な導光板の厚さは0.1mmから4.0mmの範囲にあることが判る。前述のように,出射回折格子の回折効率の好適な範囲は光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するという観点から,0.1%〜10%,好ましくは0.2%〜7.5%の1次回折効率を有することが望ましいとしたが,図22に示すように,導光板の厚さ0.1mmから4.0mmの範囲において,好適な回折効率の範囲の計算結果は0.2%から7.5%であり,前述の範囲に一致することが判る。光線の複製と導光板からの出射を広い面積に亘って実施するため、さらに好ましくは0.5%から5.0%である。この場合、基板厚さは0.5mm〜3mm程度に薄くできる。   FIG. 22 shows that when the diffraction efficiency of the output diffraction grating is appropriately set according to the application, the thickness of the light guide plate suitable for this embodiment is in the range of 0.1 mm to 4.0 mm. As described above, the preferable range of the diffraction efficiency of the output diffraction grating is from 0.1% to 10%, preferably from 0.2%, from the viewpoint that the light beam is replicated and emitted from the light guide plate over a large area. It is desirable to have a first-order diffraction efficiency of 0.1% to 7.5%. However, as shown in FIG. The calculated result is from 0.2% to 7.5%, which is in agreement with the aforementioned range. The ratio is more preferably 0.5% to 5.0% in order to replicate light rays and emit light from the light guide plate over a wide area. In this case, the substrate thickness can be reduced to about 0.5 mm to 3 mm.

以上,導光板の材質としてポリカーボネートを用い,出射回折格子の断面形状として矩形形状の導光板について本実施例に好適な各パラメータについて示した。本実施例では,他にアクリル樹脂や一般に眼鏡レンズに用いられる高屈折率のプラスチック材料(屈折率≧1.70)を導光板の材料として用いることができる。また,出射回折格子の断面形状としては,正弦波形状や三角形,台形等任意の形状を用いることも可能である。導光板の屈折率や出射回折格子の断面形状の影響は図22に示した本実施例を実施するのに好適な範囲に対して,概ねプラスマイナス20%程度の領域シフトになると考えられる。   The parameters suitable for the present embodiment have been described above for a light guide plate having a rectangular shape as a cross-sectional shape of an exit diffraction grating using polycarbonate as a material of the light guide plate. In this embodiment, an acrylic resin or a plastic material having a high refractive index (refractive index ≧ 1.70) generally used for an eyeglass lens can be used as a material for the light guide plate. Further, as the cross-sectional shape of the output diffraction grating, any shape such as a sine wave shape, a triangle, and a trapezoid can be used. The influence of the refractive index of the light guide plate and the cross-sectional shape of the output diffraction grating is considered to be about ± 20% of the area shift from the range suitable for implementing this embodiment shown in FIG.

さて,導光板は入射した画像情報を含む光線を内部で全反射導光しながら複製し,ユーザに視認可能な光線を出射するものであるため,少なくとも自重により大きくたわまないだけの機械的強度が求められる。導光板がたわんで,入射回折格子と出射回折格子の平行度がそこなわれると,両者のなす角度だけ,ユーザに認識される画像情報がひずむからである。上では,本実施例に好適な導光板の厚さはBlu−ray Discのカバー層の厚さ0.1mmが現実的な下限であるとした。0.1mm厚のプラスチック素材は自重でたわむことが避けられない。   Since the light guide plate replicates the light beam including the image information incident thereon while performing total internal reflection light guide, and emits a light beam that can be visually recognized by the user, at least the mechanical guide that does not bend greatly due to its own weight is used. Strength is required. This is because if the light guide plate is bent and the parallelism between the incident diffraction grating and the output diffraction grating is deteriorated, image information recognized by the user is distorted by the angle between the two. In the above description, it is assumed that the thickness of the light guide plate suitable for the present embodiment is the thickness of the cover layer of the Blu-ray Disc of 0.1 mm, which is a practical lower limit. It is inevitable that a plastic material having a thickness of 0.1 mm bends under its own weight.

これを避けるための,本実施例の導光板の構成を以下に示す。これまでの計算は,導光板の片側表面に出射回折格子を形成した場合について求めたものである。このとき,光線と出射回折格子が交差する間隔Lは式(13)で表される。入射するビームの直径Dに対して,D<<Lの場合には,視認される画像は不連続な輝点パターンとなる。導光板の厚さtを薄くすることにより,Lが比例して小さくなるため,画像の品質が向上することは図17に示したとおりである。   In order to avoid this, the configuration of the light guide plate of the present embodiment will be described below. The calculations so far are obtained in the case where the output diffraction grating is formed on one surface of the light guide plate. At this time, an interval L at which the light beam and the output diffraction grating intersect is represented by Expression (13). When D << L with respect to the diameter D of the incident beam, the visually recognized image has a discontinuous bright spot pattern. As the thickness t of the light guide plate is reduced, L is reduced in proportion, so that the image quality is improved as shown in FIG.

図23は,本実施例の導光板の構成を示す実施例である。ここでは,出射回折格子のみを示しており,1枚のプラスチック基板と4つの出射回折格子を一体化した例を示している。図中,11は基板,12,14,16,18は出射回折格子,13,15,17は透明なスペーサ層である。   FIG. 23 is an embodiment showing the configuration of the light guide plate of this embodiment. Here, only the output diffraction grating is shown, and an example is shown in which one plastic substrate and four output diffraction gratings are integrated. In the figure, 11 is a substrate, 12, 14, 16, and 18 are emission diffraction gratings, and 13, 15, and 17 are transparent spacer layers.

本構成によれば,出射回折格子12,14,16,18の間隔はスペーサ層の間隔に一致し,これを0.1mm厚とする。 (式13)における導光板の厚さtは,光線と出射回折格子が交差するまでに,導光板の厚さ方向に移動した距離2tの1/2である。したがって,本構成においては,tの最小値がスペーサ層の厚さに一致させることができ,上の議論から画像の品質向上に効果的であることが判る。   According to this configuration, the interval between the output diffraction gratings 12, 14, 16, and 18 corresponds to the interval between the spacer layers, and the thickness is set to 0.1 mm. The thickness t of the light guide plate in (Equation 13) is の of the distance 2t moved in the thickness direction of the light guide plate until the light beam and the output diffraction grating intersect. Therefore, in this configuration, the minimum value of t can be made to match the thickness of the spacer layer, and it can be seen from the above discussion that it is effective in improving the quality of the image.

図23に示した本実施例の導光板の構成は,基本的に多層Blu−ray Discの規格と同様であり,同様なプロセスを用いて作成することが容易である。このとき,出射回折格子12は基板11の上に射出成型法により形成し,その上にスペーサ層13,出射回折格子14を2P法で形成する。これを繰り返して,順次,スペーサ層15,出射回折格子16,スペーサ層17,出射回折格子18を順次形成すればよい。また、Blu−ray DiscやDVDの多層ROM媒体では,回折格子パターンが形成された各情報保持層(本実施例の出射回折格子に対応)の形成後に,誘電体反射膜や薄い金属薄膜等を形成して反射率を所定の値に制御している。   The configuration of the light guide plate of the present embodiment shown in FIG. 23 is basically the same as the standard of the multi-layer Blu-ray Disc, and can be easily manufactured by using a similar process. At this time, the output diffraction grating 12 is formed on the substrate 11 by the injection molding method, and the spacer layer 13 and the output diffraction grating 14 are formed thereon by the 2P method. By repeating this, the spacer layer 15, the output diffraction grating 16, the spacer layer 17, and the output diffraction grating 18 may be sequentially formed. In the case of a Blu-ray Disc or DVD multi-layer ROM medium, after forming each information holding layer (corresponding to the output diffraction grating of this embodiment) on which a diffraction grating pattern is formed, a dielectric reflection film, a thin metal thin film, or the like is formed. It is formed to control the reflectance to a predetermined value.

本実施例の導光板の場合,誘電体反射膜や薄い金属薄膜を出射回折格子の上に形成することによって,回折効率を制御することができる。このとき,出射回折格子の回折効率は,波動理論から形成した反射膜の反射率に略比例するため,容易に膜厚の設計が可能である。本実施例は,導光板の厚さの概念を拡張したものであり,透明なプラスチック基板上に形成された2層以上の出射回折格子を形成することにより,機械的強度を保ちながら,出射回折格子の厚さ方向の間隔を小さくすることにより,ユーザが認識する画像の品質を向上するものである。本実施例によって形成可能な出射回折格子の層の数の上限は概略8層となる。   In the case of the light guide plate of this embodiment, the diffraction efficiency can be controlled by forming a dielectric reflection film or a thin metal thin film on the output diffraction grating. At this time, since the diffraction efficiency of the output diffraction grating is substantially proportional to the reflectance of the reflection film formed based on the wave theory, the thickness can be easily designed. The present embodiment is an extension of the concept of the thickness of the light guide plate. By forming two or more output diffraction gratings formed on a transparent plastic substrate, the output diffraction grating is maintained while maintaining the mechanical strength. By reducing the interval in the thickness direction of the grid, the quality of the image recognized by the user is improved. The upper limit of the number of output diffraction grating layers that can be formed by this embodiment is approximately eight layers.

図24Aおよび図24Bは、本実施例に好適な入射回折格子を示すシミュレーション結果である。ここでは光源の波長550nm,回折格子のピッチ440nm,基板の屈折率1.58として計算を行った。光利用効率の観点で入射回折格子には高い回折効率が求められる。   FIGS. 24A and 24B are simulation results showing an incident diffraction grating suitable for the present example. Here, the calculation was performed on the assumption that the wavelength of the light source was 550 nm, the pitch of the diffraction grating was 440 nm, and the refractive index of the substrate was 1.58. From the viewpoint of light utilization efficiency, high diffraction efficiency is required for the incident diffraction grating.

「特許文献2」に記載されるオーバハングした三角形の回折格子は,入射光を透過回折により高効率で導光板にカップリングすることができる優れた技術である。一方,図16Aおよび図16Bに示した実施例の入射回折格子の作成方法では,オーバハングした形状を作成することは困難である。ここでは,射出成型法や2P法等で作成することができるオーバハングしない通常の三角形の形状をもつブレーズ型回折格子について検討した。   The overhanging triangular diffraction grating described in Patent Document 2 is an excellent technique capable of coupling incident light to a light guide plate with high efficiency by transmission diffraction. On the other hand, it is difficult to create an overhanging shape by the method of making the incident diffraction grating of the embodiment shown in FIGS. 16A and 16B. Here, a blazed diffraction grating having a normal triangular shape that does not overhang and that can be formed by an injection molding method, a 2P method, or the like was studied.

図24Aは「特許文献2」と同じ透過型の回折格子のシミュレーション結果である。映像光線2401は左から入射する構成であり,図の右半分が基板2402を表している。基板2402表面に,回折格子を示す三角形状の凹凸パターンが見える。透過型の回折格子では,ブレーズ面による屈折と周期構造による回折が位相同調する条件で最大の回折効率が得られる。図に示すように,これを実現するには凹凸パターンの高さが大きい必要があり,パターンの角度は70度から80度,パターンの高さを周期で割ったアスペクト比は10以上が必要である。一般に,2P法による凹凸パターンの転写では,アスペクト比が2を超えると剥離性等の問題が生じて,量産時の歩留りが低下する。ここに示した透過型の回折格子は本実施例の入射回折格子としては適していないことが判る。   FIG. 24A is a simulation result of the same transmission type diffraction grating as in “Patent Document 2”. The image light ray 2401 is incident from the left, and the right half of the figure represents the substrate 2402. On the surface of the substrate 2402, a triangular uneven pattern showing a diffraction grating can be seen. In the transmission type diffraction grating, the maximum diffraction efficiency can be obtained under the condition that the refraction by the blaze surface and the diffraction by the periodic structure are phase-tuned. As shown in the figure, to achieve this, the height of the uneven pattern must be large, the pattern angle must be 70 to 80 degrees, and the aspect ratio obtained by dividing the pattern height by the period must be 10 or more. is there. In general, in the transfer of the concavo-convex pattern by the 2P method, when the aspect ratio exceeds 2, a problem such as releasability occurs, and the yield in mass production decreases. It can be seen that the transmission type diffraction grating shown here is not suitable as the incident diffraction grating of this embodiment.

図24Bは反射型の回折格子のシミュレーション結果である。映像光線2401は同様に左から入射する構成であり,図の左半分が基板2402を表している。基板2402表面に,回折格子を示す三角形状の凹凸パターンが見える。反射型の回折格子では,ブレーズ面による反射と周期構造による回折による位相同調する条件で最大の回折効率が得られる。図に見られるように,透過型に比較して,低いアスペクト比の凹凸パターンでこの条件が満たされることが判る。このときの凹凸パターンの高さは約250nmであり,アスペクト比は約0.57である。前述の試作素子では,パターン高さが374nmの三角形状の凹凸パターンを良好に転写可能なことであった。本実施例の導光板には,反射型回折格子を用いることが好ましいことと言える。   FIG. 24B is a simulation result of the reflection type diffraction grating. Similarly, the image light ray 2401 is incident from the left, and the left half of the figure represents the substrate 2402. On the surface of the substrate 2402, a triangular uneven pattern showing a diffraction grating can be seen. In the reflection type diffraction grating, the maximum diffraction efficiency can be obtained under the condition that the phase is tuned by the reflection by the blaze surface and the diffraction by the periodic structure. As shown in the figure, it can be seen that this condition is satisfied by the concave / convex pattern having a lower aspect ratio than that of the transmission type. At this time, the height of the concavo-convex pattern is about 250 nm, and the aspect ratio is about 0.57. In the above-described prototype device, a triangular uneven pattern having a pattern height of 374 nm can be transferred favorably. It can be said that it is preferable to use a reflection type diffraction grating for the light guide plate of this embodiment.

図14Aおよび図14Bに示した結果から,出射回折格子の回折効率が一定の場合,投影像の輝度と輝度ムラがトレードオフの関係にあることを示した。ここでは,輝度が高く,輝度ムラが小さい本実施例の導光板に好適な出射回折格子の構成について示す。以下,光源の波長550nm,回折格子のピッチ440nm,基板の屈折率1.58,基板の厚さ0.6mmとして計算を行った。   The results shown in FIGS. 14A and 14B show that when the diffraction efficiency of the output diffraction grating is constant, the luminance of the projected image and the luminance unevenness have a trade-off relationship. Here, a configuration of an output diffraction grating suitable for the light guide plate of the present embodiment having high luminance and small luminance unevenness will be described. Hereinafter, the calculation was performed on the assumption that the wavelength of the light source was 550 nm, the pitch of the diffraction grating was 440 nm, the refractive index of the substrate was 1.58, and the thickness of the substrate was 0.6 mm.

図25Aおよび図25Bは導光板内部を伝播する光線の強度分布を可視化したシミュレーション結果である。図中,入射回折格子はy方向下側に配置され,y方向上側にユーザの目に相当する瞳が配置される。図25Aは投影像の中央部に至る光線の強度分布を示している。図中の出射円Oは,瞳に到達する光線が出射回折格子上で最後に回折した領域を示す。入射回折格子からy方向に向かう直線上の輝度の高い領域は,入射回折格子で回折され導光板内部を伝搬する主たる光線群(以下,主光線群)を示す。主光線群の伝播方向を矢印251で示す。   FIG. 25A and FIG. 25B are simulation results of visualizing the intensity distribution of light rays propagating inside the light guide plate. In the figure, the incident diffraction grating is arranged on the lower side in the y direction, and a pupil corresponding to the user's eye is arranged on the upper side in the y direction. FIG. 25A shows the intensity distribution of light rays reaching the center of the projected image. The emission circle O in the figure indicates a region where the light beam reaching the pupil is finally diffracted on the emission diffraction grating. A high-luminance area on a straight line from the incident diffraction grating in the y direction indicates a main ray group (hereinafter, principal ray group) diffracted by the incident diffraction grating and propagated inside the light guide plate. The propagation direction of the chief ray group is indicated by an arrow 251.

図25Aに見られるように,主光線群の伝搬によって強度が次第に減衰する特性をもつ。主光線群の周辺に広がる輝度の低い光線群は,出射回折格子により回折されx−y面内で進行方向が偏向された光線群である。この条件ではx−y面内で出射円Oと瞳は一致していることが判る。したがって,瞳に到達して画像として認識されるのは,強度の強い主光線群の一部である。   As can be seen from FIG. 25A, there is a characteristic that the intensity is gradually attenuated by the propagation of the principal ray group. The low-luminance light group that spreads around the principal light group is a light group that is diffracted by the output diffraction grating and whose traveling direction is deflected in the xy plane. Under this condition, it can be seen that the exit circle O and the pupil coincide in the xy plane. Therefore, what reaches the pupil and is recognized as an image is a part of the principal ray group having a high intensity.

図25Bは投影像の右下端に至る光線の強度分布を示す。ここでは,理解を容易にするため,目のレンズ作用による画像の反転と網膜に投影されたイメージを脳で処理してさらに反転させて認知する効果を割愛し,視野の右下端に認識される画像は,右下端に向う波数ベクトルをもつとして表示している。   FIG. 25B shows the intensity distribution of light rays reaching the lower right end of the projected image. Here, in order to facilitate understanding, the effect of reversing the image by the lens action of the eye and processing the image projected on the retina by the brain and further reversing it is omitted, and the effect is recognized at the lower right corner of the visual field The image is displayed as having a wave number vector directed to the lower right.

図に見られるように,主光線群は入射回折格子から右上に向って進行する。また,出射円Oと瞳Pはx−y面内で一致せず,瞳に届いて画像として認識される光線は,主光線群から左上方向に偏向されたものであることが判る。したがって,瞳Pに至って画像として認識される光線は図25Aの場合に比較して強度が低くなる。以上が,導光板を用いて像を投影する場合の輝度ムラが発生する理由の1つである。他に,入射する映像ビームの直径,RGB導光板の間のクロストーク,入射回折格子の−1次回折,回折格子のピッチと凹凸パターンの高さの不均一幅性による散乱などが,輝度ムラの原因として大きなものである。本実施例では図に示した主光線群と出射円の不一致による輝度ムラの改善方法を以下に提供する。   As can be seen, the chief ray group travels from the incident diffraction grating to the upper right. Also, it can be seen that the exit circle O and the pupil P do not coincide in the xy plane, and the light beam that reaches the pupil and is recognized as an image is deflected in the upper left direction from the principal ray group. Therefore, the intensity of the light beam that reaches the pupil P and is recognized as an image is lower than that in the case of FIG. 25A. The above is one reason why luminance unevenness occurs when an image is projected using the light guide plate. In addition, the unevenness of brightness due to the diameter of the incident image beam, crosstalk between the RGB light guide plates, -1st-order diffraction of the incident diffraction grating, and the unevenness of the pitch of the diffraction grating and the height of the concavo-convex pattern are caused. It is a big cause. In the present embodiment, a method for improving the uneven brightness due to the mismatch between the principal ray group and the emission circle shown in the figure is provided below.

図26Aおよび図26Bは,本実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す摸式図である。図では,図25Aおよび図25Bのシミュレーション結果に重ねて解決方法を摸式的に示している。図中,100は導光板,210および220は出射回折格子の一部に設けた回折効率増強領域である。図に示すように,視認される画像の位置によって,導光板内を伝播する主光線群の進行方向が異なる。   FIG. 26A and FIG. 26B are schematic diagrams illustrating a method of improving the uneven brightness of the projected image according to the present embodiment. In the figure, the solution is schematically shown in superposition on the simulation results of FIGS. 25A and 25B. In the figure, 100 is a light guide plate, 210 and 220 are diffraction efficiency enhancement regions provided in a part of the output diffraction grating. As shown in the figure, the traveling direction of the principal ray group propagating in the light guide plate differs depending on the position of the image to be viewed.

これを利用して,図26Bの場合,主光線群は回折効率増強領域210により,出射円の方向へ強く回折することにより,出射円に至る光線の強度を強くすることが可能となり,輝度ムラを改善することができる。   Utilizing this, in the case of FIG. 26B, the principal ray group is strongly diffracted in the direction of the emission circle by the diffraction efficiency enhancement region 210, so that the intensity of the light beam reaching the emission circle can be increased, and luminance unevenness can be increased. Can be improved.

図26Aに示すように,回折効率増強領域は,画像の中央に向う主光線群と一致しない領域に形成することが好ましい。これは,前述のEB描画装置等でマスターを作成する際に,グレーティングを形成する凹凸のデューティ比や高さを制御することで実現できる。   As shown in FIG. 26A, it is preferable that the diffraction efficiency enhancement region is formed in a region that does not coincide with the principal ray group directed to the center of the image. This can be realized by controlling the duty ratio and the height of the unevenness forming the grating when the master is created by the above-described EB drawing apparatus or the like.

「特許文献1」の図3に説明されている導光板では,導波路、および、3つの線形回折格子H0、H1、H2を備えている。入射光線は回折格子H0を照射し、この光は導波路へと結合される。導波路に形成されている2つの格子H1、H2は、互いの上に重なっている。「特許文献1」の知見を利用すると、本実施例は回折効率増強領域210には回折格子H1のみを形成し,回折効率増強領域220には回折格子H2のみを形成することによっても実現できる。EB描画装置ではH1とH2を同一面内にパターニングして,2つの波数ベクトルをもつ回折格子を形成することも容易であり,射出成型法により導光板を安価に提供することを目的とする本実施例には,1つの面に出射回折格子を形成した導光板が,光ディスクのプロセスを活用するという点において適していると言える。   The light guide plate illustrated in FIG. 3 of “Patent Document 1” includes a waveguide and three linear diffraction gratings H0, H1, and H2. The incident light illuminates the diffraction grating H0, which is coupled into the waveguide. The two gratings H1, H2 formed in the waveguide overlap each other. Utilizing the knowledge of "Patent Document 1", the present embodiment can also be realized by forming only the diffraction grating H1 in the diffraction efficiency enhancement region 210 and forming only the diffraction grating H2 in the diffraction efficiency enhancement region 220. In the EB lithography system, it is easy to form a diffraction grating having two wavenumber vectors by patterning H1 and H2 in the same plane, and to provide a light guide plate at low cost by injection molding. It can be said that the light guide plate having the output diffraction grating formed on one surface is suitable for the embodiment in that the process of the optical disc is utilized.

図27は本実施例による投影像の輝度ムラの改善方法を示す別の摸式図である。ここでは,図25Aにおける主光線群の伝搬によるy方向の強度減衰に着目した解決法を提供する。図27は,投影像のy方向のピクセル位置と輝度との関係を上と同じ条件で計算した結果である。図に見られるように,出射回折格子が面内に一様な回折効率を持つ場合は,入射回折格子から出射円までの伝搬長に応じて,y方向のピクセル位置が大きくなる(投影像の上側)に従って,画像の輝度減衰が発生する(特性2701)。一方で,この減衰が緩やかな場合,線形近似で出射回折格子の回折効率を面内で補正することによって,投影像の輝度ムラを改善することができる(特性2702)。   FIG. 27 is another schematic diagram showing a method for improving the uneven brightness of the projected image according to the present embodiment. Here, a solution focusing on the intensity attenuation in the y direction due to the propagation of the principal ray group in FIG. 25A is provided. FIG. 27 shows the result of calculating the relationship between the pixel position in the y direction of the projected image and the luminance under the same conditions as above. As shown in the figure, when the outgoing diffraction grating has a uniform diffraction efficiency in the plane, the pixel position in the y direction increases according to the propagation length from the incident diffraction grating to the outgoing circle (the projected image In accordance with (upper), the luminance of the image is attenuated (characteristic 2701). On the other hand, when the attenuation is moderate, the unevenness in luminance of the projected image can be improved by correcting the diffraction efficiency of the output diffraction grating in a plane by linear approximation (characteristic 2702).

図28は,画像形成手段であるプロジェクタ281で形成される像の輝度ムラを軽減する、本実施例の導光板を示す摸式図である。図中,300は導光板,307は入射回折格子,303は出射回折格子を示す。出射回折格子の凹凸パターンの拡大図をあわせて示す。図に見られるように,出射回折格子の凹凸パターンのデューティをy方向(光の伝播方向)に変化させることにより,回折効率に分布を付与することにより,図27に示した輝度ムラの改善が可能となる。   FIG. 28 is a schematic diagram showing a light guide plate of the present embodiment for reducing uneven brightness of an image formed by the projector 281 as an image forming unit. In the figure, 300 denotes a light guide plate, 307 denotes an incident diffraction grating, and 303 denotes an output diffraction grating. An enlarged view of the concavo-convex pattern of the output diffraction grating is also shown. As shown in the figure, by changing the duty of the concavo-convex pattern of the output diffraction grating in the y-direction (light propagation direction), a distribution is given to the diffraction efficiency, so that the luminance unevenness shown in FIG. It becomes possible.

マスターの作成には半導体プロセス技術を応用する場合,EB描画法や縮小露光法によりレジストを所定のパターンで露光した後,洗浄,エッチングを順次実施して,Si基板の表面に凹凸パターンを形成する。このとき,レジストはスピンコーティング法等により厚さを一様に塗布されること,露光に用いる電子や光子は,レジストの厚さ方向に対して吸収率分布をもつこと,から凹凸パターンは一様な高さをもつことが好ましい。前述のように,回折格子の回折効率は凹凸パターンにより付与される位相差に応じて制御されるものであり,これは凹凸パターンのデューティを変化させることによっても制御することができる。以上により,本実施例の導光板に好適な回折効率の面内分布の付与の方法としては,凹凸パターンのデューティを面内で変調する方法が適していると言える。   When the semiconductor process technology is applied to the creation of the master, the resist is exposed in a predetermined pattern by an EB drawing method or a reduced exposure method, and then, washing and etching are sequentially performed to form an uneven pattern on the surface of the Si substrate. . At this time, the resist is applied uniformly by spin coating or the like, and the electrons and photons used for exposure have an absorptivity distribution in the thickness direction of the resist. It is preferable to have an appropriate height. As described above, the diffraction efficiency of the diffraction grating is controlled according to the phase difference imparted by the concavo-convex pattern, and this can also be controlled by changing the duty of the concavo-convex pattern. From the above, it can be said that a method of modulating the duty of the concavo-convex pattern in a plane is suitable as a method for imparting a suitable diffraction efficiency in-plane distribution to the light guide plate of the present embodiment.

図29は,本実施例の導光板を用いた別の実施例である。本実施例の導光板300は回折格子による回折の対称性により,プロジェクタ281と反対側にユーザの目がある場合にも画像を投影することが可能である。この場合,図示しないプロジェクタ内の液晶素子の投影パターンを上でミラー反転させることにより,容易にユーザは画像を認識できる。   FIG. 29 shows another embodiment using the light guide plate of this embodiment. The light guide plate 300 of the present embodiment can project an image even when the user's eyes are on the opposite side to the projector 281 due to the symmetry of diffraction by the diffraction grating. In this case, the user can easily recognize the image by inverting the projection pattern of the liquid crystal element in the projector (not shown) with the mirror above.

図30は、本実施例の画像表示装置の構成を示す摸式図である。図中のプロジェクタ281から出射した画像情報をもつ光は,B,G,Rの各導光板300B,300G,300Rの作用によりユーザ400に届けられ,拡張現実を実現する。B,G,Rの各導光板は,図3に示した実施例の導光板を図15に示したように組み合わせたものであり,形成される回折格子のピッチと深さは,各色に応じて最適化されたものである。   FIG. 30 is a schematic diagram illustrating the configuration of the image display device according to the present embodiment. Light having image information emitted from the projector 281 in the figure is delivered to the user 400 by the action of the B, G, and R light guide plates 300B, 300G, and 300R, thereby realizing augmented reality. Each of the B, G, and R light guide plates is a combination of the light guide plates of the embodiment shown in FIG. 3 as shown in FIG. 15, and the pitch and depth of the formed diffraction gratings depend on each color. Optimized.

図30において,本実施例の画像表示装置は導光板300B,300G,300R,画像形成手段としてプロジェクタ281,および図示しない表示画像制御部からなる。ここで導光板モジュール3001は図15に示したように,カラ―表示に対応して,R,G,B,それぞれの導光板を一体化したものである。また,画像形成手段としては,例えば、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置,有機および無機EL(Electro Luminescence)素子アレイとレンズによる画像形成装置、発光ダイオードアレイとレンズによる画像形成装置,光源と半導体MEMSミラーアレイとレンズを組み合わせた画像形成装置等,広く公知の画像形成装置を用いることができる。また,LEDやレーザ光源と光ファイバの先端をMEMS技術やPZT等により共振運動させたものを用いることもできる。これらの中で,最も一般的なものは、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置である。ここで、空間光変調装置として、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を挙げることができ、光源としては白色光源をRGB分離して用いることも,各色対応のLEDやレーザを用いることもできる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてレンズを用いたコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。   In FIG. 30, the image display device of this embodiment includes light guide plates 300B, 300G, and 300R, a projector 281 as an image forming unit, and a display image control unit (not shown). Here, as shown in FIG. 15, the light guide plate module 3001 integrates R, G, and B light guide plates corresponding to color display. Examples of the image forming means include an image forming apparatus including a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source, and a lens; an image forming apparatus including an organic and inorganic EL (Electro Luminescence) element array and a lens; Widely known image forming apparatuses such as an image forming apparatus using a diode array and a lens, and an image forming apparatus combining a light source, a semiconductor MEMS mirror array, and a lens can be used. Also, an LED or laser light source and an optical fiber whose tip is caused to resonate by MEMS technology, PZT, or the like can be used. Among them, the most common one is an image forming apparatus including a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source and a lens. Here, examples of the spatial light modulator include a transmissive or reflective liquid crystal display such as LCOS (Liquid Crystal On Silicon) and a digital micromirror device (DMD). Or an LED or laser corresponding to each color. Furthermore, the reflection type spatial light modulator reflects a part of light from the liquid crystal display device and the light source to the liquid crystal display device, and passes a part of the light reflected by the liquid crystal display device. Then, a configuration including a polarizing beam splitter for guiding to a collimating optical system using a lens can be adopted.

光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、上で示した1280x720のほかに,320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080を例示することができる。   As a light emitting element constituting a light source, a red light emitting element, a green light emitting element, a blue light emitting element, and a white light emitting element can be given. The number of pixels may be determined based on the specifications required for the image display device. Specific values of the number of pixels include, in addition to 1280 × 720 shown above, 320 × 240, 432 × 240, 640 × 480 , 1024 x 768, 1920 x 1080.

本実施例の画像表示装置では,プロジェクタ281から出射した映像情報を含む光線が,導光板300B,300G,300Rの各入射回折格子に照射されるように,位置決めして,導光板モジュール3001と一体化されて形成される。   In the image display device of the present embodiment, the light beam including the image information emitted from the projector 281 is positioned so as to irradiate each of the incident diffraction gratings of the light guide plates 300B, 300G, and 300R, and is integrated with the light guide plate module 3001. Formed.

また,図示しない表示画像制御部は,プロジェクタ281の動作を制御して,ユーザ400に適宜,画像情報を提供する機能を果たす。   A display image control unit (not shown) controls the operation of the projector 281 and performs a function of appropriately providing image information to the user 400.

本実施例では,ユーザに画像情報を提供する場合について示したが,本実施例の画像表示装置は,このほかにユーザや外界の情報を取得するためのタッチセンサ,温度センサ,加速度センサ等の各種センサや,ユーザの目の動きを計測するためのアイ・トラッキング機構を備えることが可能である。   In the present embodiment, the case where the image information is provided to the user has been described. However, the image display device of the present embodiment additionally includes a touch sensor, a temperature sensor, an acceleration sensor, and the like for acquiring information on the user and the outside world. Various sensors and an eye tracking mechanism for measuring the movement of the user's eyes can be provided.

以上説明した実施例によれば,広い視野角の実現に有利な「特許文献1」〜「特許文献3」に記載されている凹凸型回折格子を有する導光板(画像表示素子)とそれを用いた画像表示装置を低コスト化,および軽量化してユーザに提供することができる。   According to the embodiment described above, a light guide plate (image display element) having an uneven diffraction grating described in “Patent Documents 1” to “Patent Document 3” advantageous for realizing a wide viewing angle, and using the same. The image display device can be provided to the user at low cost and light weight.

以上説明した実施例によれば、光ディスクの製造技術を活用した低コスト化と,プラスチック化による軽量化を実現した導光板を提供することができる。コストに関しては概ね1/10〜1/100,重さに関しては概ね1/2以下が目安となる。また,導光板のプラスチック化により,ユーザが装着した際に,思わぬ外力による衝撃を受けた場合,プラスチックはガラスに比較して飛散しにくい特性があるため,安全性が向上するという付帯的な効果も実現される。
また,特許文献6に記載されている,車載用途向けのヘッドアップディスプレイ(HUD)は,図1に見られるように,本発明のヘッドマウントディスプレイとほぼ同じ構造により,運転者に適切な情報を提示することができる。したがって,本発明の導光板は,ヘッドアップディスプレイにも容易に応用することが可能である。
According to the embodiment described above, it is possible to provide a light guide plate which realizes low cost by utilizing the manufacturing technology of an optical disc and lightening by using plastic. The standard is about 1/10 to 1/100 for the cost and about 1/2 or less for the weight. In addition, due to the plasticization of the light guide plate, the plastic has the property of being less likely to scatter than glass when subjected to an unexpected external force when worn by the user, thus improving safety. The effect is also realized.
In addition, as shown in FIG. 1, a head-up display (HUD) for in-vehicle use described in Patent Document 6 has almost the same structure as a head-mounted display of the present invention, and provides appropriate information to a driver. Can be presented. Therefore, the light guide plate of the present invention can be easily applied to a head-up display.

300:導光板
307:入射回折格子
303:出射回折格子
300: light guide plate 307: incident diffraction grating 303: output diffraction grating

Claims (15)

第1の樹脂からなる第1の部材と、
前記第1の部材の少なくとも一部の上に形成された第2の樹脂からなる第2の部材と、
を備え、
前記第1の樹脂と前記第2の樹脂は異なる樹脂であり、
前記第1の部材には第1のパターンからなる第1の回折格子が形成され、
前記第2の部材には第2のパターンからなる第2の回折格子が形成され、
前記第1のパターンと前記第2のパターンは異なるパターンである、
導光板。
A first member made of a first resin,
A second member made of a second resin formed on at least a part of the first member;
With
The first resin and the second resin are different resins,
A first diffraction grating formed of a first pattern is formed on the first member;
A second diffraction grating having a second pattern is formed on the second member;
The first pattern and the second pattern are different patterns,
Light guide plate.
前記第1のパターンと前記第2のパターンは、
形状、アスペクト、高さ、デユーティー、パターニング領域面積の少なくとも一つが異なる、
請求項1記載の導光板。
The first pattern and the second pattern are:
At least one of shape, aspect, height, duty, patterning area is different,
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の樹脂はポリカーボネートまたはアクリル樹脂、
前記第2の樹脂は光硬化樹脂である、
請求項1記載の導光板。
The first resin is polycarbonate or acrylic resin,
The second resin is a photocurable resin,
The light guide plate according to claim 1.
前記第1のパターンのピッチが、400nm〜450nmである、
請求項1記載の導光板。
A pitch of the first pattern is 400 nm to 450 nm;
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の樹脂はポリカーボネート、
前記第1のパターンのピッチが、360nm〜520nm、
前記第1のパターンの高さが、20nm〜100nmである、
請求項1記載の導光板。
The first resin is polycarbonate;
The pitch of the first pattern is 360 nm to 520 nm,
The height of the first pattern is 20 nm to 100 nm;
The light guide plate according to claim 1.
前記第2の樹脂は光硬化樹脂、
前記第2のパターンは三角形、
前記第2のパターンのピッチが、360nm〜520nm、
前記第2のパターンの高さが、100nm〜400nmである、
請求項1記載の導光板。
The second resin is a photocurable resin,
The second pattern is a triangle;
A pitch of the second pattern is 360 nm to 520 nm;
The height of the second pattern is 100 nm to 400 nm;
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の部材が厚さ0.1mm〜4.0mmの基板を構成し、
前記第1の回折格子の1次回折効率が0.1%〜7.5%である、
請求項1記載の導光板。
The first member constitutes a substrate having a thickness of 0.1 mm to 4.0 mm;
A first diffraction efficiency of the first diffraction grating is 0.1% to 7.5%;
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の回折格子の1次回折効率が0.5%〜5.0%である、
請求項7記載の導光板。
A first diffraction efficiency of the first diffraction grating is 0.5% to 5.0%;
The light guide plate according to claim 7.
前記第1の回折格子の一部に、回折効率増強領域を設けた、
請求項1記載の導光板。
A diffraction efficiency enhancement region is provided in a part of the first diffraction grating,
The light guide plate according to claim 1.
前記第1の回折格子が、前記第1のパターンのデューティを光の伝播方向に沿って変化させることにより,回折効率に分布を付与したものである、
請求項1記載の導光板。
The first diffraction grating changes the duty of the first pattern along the propagation direction of light to give a distribution to diffraction efficiency.
The light guide plate according to claim 1.
前記第2の回折格子の1次回折効率が30%〜70%である、
請求項1記載の導光板。
The first diffraction efficiency of the second diffraction grating is 30% to 70%;
The light guide plate according to claim 1.
請求項1記載の導光板を複数備え、複数の導光板のそれぞれは所定の波長に対応した、互いに異なる前記第1のパターンを有し、複数の前記導光板を積層して形成した、
導光板モジュール。
A plurality of light guide plates according to claim 1, wherein each of the plurality of light guide plates has a different first pattern corresponding to a predetermined wavelength, and is formed by stacking a plurality of the light guide plates.
Light guide plate module.
前記複数の導光板の前記第1のパターンは、ピッチ300nm〜550nmの範囲で、異なるピッチに設定される、
請求項12記載の導光板モジュール。
The first patterns of the plurality of light guide plates are set at different pitches in a range of 300 nm to 550 nm.
The light guide plate module according to claim 12.
請求項1記載の導光板と、
映像を投影するプロジェクタとを備え、
前記プロジェクタの出射光が,前記第2のパターンを照射するように配置されている、
画像表示装置。
The light guide plate according to claim 1,
With a projector that projects video,
Light emitted from the projector is arranged to irradiate the second pattern;
Image display device.
ポリカーボネートあるいはアクリル樹脂で形成され、表面に第1の回折格子パターンを有する基板を準備する第1の工程と、
前記第1の回折格子パターンの上に、光硬化樹脂を配置する第2の工程と、
前記光硬化樹脂に第2の回折格子パターンを転写する第3の工程と、
前記光硬化樹脂を硬化させる第4の工程と、
を有することを特徴とする導光板の製造方法。
A first step of preparing a substrate made of polycarbonate or acrylic resin and having a first diffraction grating pattern on its surface;
A second step of disposing a photocurable resin on the first diffraction grating pattern;
A third step of transferring a second diffraction grating pattern to the photocurable resin;
A fourth step of curing the photocurable resin,
A method for manufacturing a light guide plate, comprising:
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022014239A1 (en) * 2020-07-16 2022-01-20 ソニーグループ株式会社 Display device
WO2022168397A1 (en) * 2021-02-02 2022-08-11 株式会社日立エルジーデータストレージ Light guiding plate, light guiding plate module, and image display device
JP2023512873A (en) * 2020-02-06 2023-03-30 バルブ コーポレーション Polarization multiplexing optics for head-mounted display systems
DE112021006585T5 (en) 2020-12-21 2023-10-05 Nippon Electric Glass Co., Ltd. LIGHT CONDUCT PLATE
CN117295560A (en) * 2021-04-30 2023-12-26 奇跃公司 Imprint lithography processes and methods on curved surfaces
WO2025035008A1 (en) * 2023-08-09 2025-02-13 Applied Materials, Inc. Functional imprinted optical structures for optical devices
KR20250159001A (en) 2023-03-07 2025-11-07 도레이 카부시키가이샤 Method for producing a resin composition, a cured film, a substrate for forming a pattern of a cured film, an optical element, and a method for producing polysiloxane

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7341907B2 (en) * 2020-01-10 2023-09-11 株式会社日立エルジーデータストレージ Image display elements and devices
CN120908212B (en) * 2025-10-09 2026-01-02 苏州天禄光科技股份有限公司 Integrated method for enhancing and detecting defect samples in light guide plates

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010040415A (en) * 2008-08-07 2010-02-18 Sharp Corp Back light unit and liquid crystal display
JP2015105990A (en) * 2013-11-29 2015-06-08 セイコーエプソン株式会社 Optical device and electronic device
JP2016085426A (en) * 2014-10-29 2016-05-19 セイコーエプソン株式会社 Optical element, electro-optic device, mount-type display device, and optical element manufacturing method
WO2016130342A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-18 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide-based display system
WO2018070094A1 (en) * 2016-10-11 2018-04-19 ソニー株式会社 Display apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010040415A (en) * 2008-08-07 2010-02-18 Sharp Corp Back light unit and liquid crystal display
JP2015105990A (en) * 2013-11-29 2015-06-08 セイコーエプソン株式会社 Optical device and electronic device
JP2016085426A (en) * 2014-10-29 2016-05-19 セイコーエプソン株式会社 Optical element, electro-optic device, mount-type display device, and optical element manufacturing method
WO2016130342A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-18 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide-based display system
WO2018070094A1 (en) * 2016-10-11 2018-04-19 ソニー株式会社 Display apparatus

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7838742B2 (en) 2020-02-06 2026-04-01 バルブ コーポレーション Polarization multiplexing optical systems for head-mounted display systems
JP2023512873A (en) * 2020-02-06 2023-03-30 バルブ コーポレーション Polarization multiplexing optics for head-mounted display systems
WO2022014239A1 (en) * 2020-07-16 2022-01-20 ソニーグループ株式会社 Display device
US12155813B2 (en) 2020-07-16 2024-11-26 Sony Group Corporation Display apparatus for suppression of generation of unnecessary light other than image display light to a wearer of display apparatus
DE112021006585T5 (en) 2020-12-21 2023-10-05 Nippon Electric Glass Co., Ltd. LIGHT CONDUCT PLATE
WO2022168397A1 (en) * 2021-02-02 2022-08-11 株式会社日立エルジーデータストレージ Light guiding plate, light guiding plate module, and image display device
JP2022118671A (en) * 2021-02-02 2022-08-15 株式会社日立エルジーデータストレージ Light guide plate, light guide plate module and image display device
CN116472476A (en) * 2021-02-02 2023-07-21 日立乐金光科技株式会社 Light guide plate, light guide plate module, and image display device
JP7465826B2 (en) 2021-02-02 2024-04-11 株式会社日立エルジーデータストレージ Light guide plate, light guide plate module and image display device
CN117295560A (en) * 2021-04-30 2023-12-26 奇跃公司 Imprint lithography processes and methods on curved surfaces
EP4329947A4 (en) * 2021-04-30 2025-03-26 Magic Leap, Inc. PRINTING LITHOGRAPHY PROCESS AND PROCESSES ON CURVED SURFACES
KR20250159001A (en) 2023-03-07 2025-11-07 도레이 카부시키가이샤 Method for producing a resin composition, a cured film, a substrate for forming a pattern of a cured film, an optical element, and a method for producing polysiloxane
WO2025035008A1 (en) * 2023-08-09 2025-02-13 Applied Materials, Inc. Functional imprinted optical structures for optical devices

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