特開 2022-191873 コンバイナおよびそれを用いたヘッドマウントディスプレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022191873

(43)【公開日】2022-12-28

(54)【発明の名称】コンバイナおよびそれを用いたヘッドマウントディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20221221BHJP

   G02C 11/00 20060101ALI20221221BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20221221BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20221221BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02C11/00

G02B5/18

G02B5/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021100355

(22)【出願日】2021-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】植月 一雅

(72)【発明者】

【氏名】那脇 洋平

【テーマコード（参考）】

2H006

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H006CA00

2H199CA06

2H199CA12

2H199CA24

2H199CA25

2H199CA27

2H199CA30

2H199CA42

2H199CA43

2H199CA50

2H199CA54

2H199CA67

2H199CA68

2H199CA85

2H249AA02

2H249AA03

2H249AA12

2H249AA13

2H249AA43

2H249AA55

2H249AA60

2H249AA62

2H249AA64

2H249CA01

2H249CA04

2H249CA05

2H249CA09

2H249CA15

2H249CA22

(57)【要約】

【課題】視野を拡大することが可能なコンバイナを提供する。
【解決手段】コンバイナ１００は、導波路１１０およびレンズアレイ１２０を備える。導波路１１０は、仮想世界の画像を受ける入射領域１１２と、離散的に配置された複数の出射部１１６と、を有する。レンズアレイ１２０は、導波路１１０の複数の出射部１１６に対応する複数の位置に離散的に設けられた複数のレンズ１２２を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

その入射領域において仮想世界の画像を受け、その出射領域に離散的に配置された複数の出射部を有する導波路と、
前記導波路の前記複数の出射部に対応する複数の位置に離散的に設けられた複数のレンズを含むレンズアレイと、
を備えることを特徴とするコンバイナ。

【請求項2】

導波路と、
前記導波路の面内に離散的に設けられた複数の射出構造と、
を備え、
前記射出構造は、前記導波路に形成される出射部と、前記出射部とオーバーラップするレンズと、を含む積層構造を有することを特徴とするコンバイナ。

【請求項3】

前記出射部のサイズは、前記レンズのサイズよりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のコンバイナ。

【請求項4】

前記コンバイナの出射領域に対する複数のレンズの占める面積の割合が、１／２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンバイナ。

【請求項5】

前記レンズアレイは、一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載のコンバイナ。

【請求項6】

前記導波路には、前記出射部として、レリーフ型回折格子、ホログラフィック回折格子、液晶回折光格子、回折光学素子、マイクロプリズムのいずれかが形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のコンバイナ。

【請求項7】

前記レンズは、凹レンズ、フレネルレンズ、回折光学素子のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のコンバイナ。

【請求項8】

請求項１または２に記載のコンバイナを備えることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

【背景技術】

【0002】

シースルー型ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mount Display）デバイスは、現実世界上に仮想世界の画像を結合するデバイスであり、ＡＲ（Augmented Reality）グラス・ＭＲ（Mixed Reality）グラス・ＸＲ（Extended Reality）グラスとして用途の広がりを見せている。

【0003】

図１は、典型的なＨＭＤデバイスと眼の光学系の模式図である。ＨＭＤデバイス２は、ディスプレイ装置（マイクロディスプレイともいう）１０およびコンバイナ２０を備える。ディスプレイ装置１０は、仮想世界の画像を表示するデバイスであり、ＯＬＥＤ（Organic Light-Emitting Diode）、μＬＥＤ（Light-Emitting Diode）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の表示デバイス１２と、レンズ１４を含む。レンズ１４は、表示デバイス１２の出射光を平行光に変換する。コンバイナ２０は、仮想世界の画像の光Ｌ１を眼まで伝送（リレー）し、外光Ｌ２である現実世界の像と結合する。

【0004】

仮想世界像の画像と現実世界の像はコンバイナ２０によって結合され、それらを含む画像（合成画像）Ｌ３は、平行光として人間の目３０に入射する。人間の目３０は、実質的に無限遠にピントがあっており、レンズ３２は水晶体（または水晶体とメガネ、水晶体とコンタクトレンズ）であり、平行光（平面波）である合成画像を、網膜３４上に結像させる。

【0005】

コンバイナ２０としては、ハーフミラーやプリズムを用いた方式や、光導波路と回折格子を組み合わせた方式が一般的である。ミラーやプリズムを用いた方式は一般的には視野（ＦｏＶ：Field Of View）が２０度程度と小さいものが多い。特に断らない限り、本明細書における視野角は全画角で表している。これはミラー形式では視野を大きくするためには光導波路を厚くする必要があり、現実的なメガネサイズとならないためである。

【0006】

一方、光導波路と回折格子を用いた方式は、ミラー・プリズム方式と比べて視野が大きな製品が多い。これは回折格子方式では視野を大きくするために光導波路を厚くする必要がないためである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願公開第１９８７／４７１１５１２号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０２０／１０８３１６９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、回折格子を用いた方式でも下式であらわされるように最大視野ＦｏＶは、導波路の屈折率ｎで制限される。
ＦｏＶ＝２・ｓｉｎ｛（ｎ－１）／２｝
市販されている高屈折率ガラスはｎ＝２．０が最大であるため、視野は最大６０度となり、回折格子を用いたコンバイナでは、これより大きな視野を有するＨＭＤを作ることはできない。

【0009】

本開示は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、視野を拡大することが可能なコンバイナの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示のある態様のコンバイナは、その入射領域において仮想世界の画像を受け、その出射領域に離散的に配置された複数の出射部を有する導波路と、導波路の複数の出射部に対応する複数の位置に離散的に設けられた複数のレンズ（拡大素子）を含むレンズアレイと、を備える。

【0011】

本開示のある態様のコンバイナは、導波路と、導波路の面内に離散的に設けられた複数の射出構造と、を備える。射出構造は、導波路に形成される出射部と出射部とオーバーラップするレンズを含む積層構造を有する。

【0012】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、本開示の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。

【発明の効果】

【0013】

本開示のある態様によれば、ＨＭＤの視野を拡大できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】典型的なＨＭＤデバイスと眼の光学系の模式図である。

【図2】図２（ａ）は、実施形態に係るコンバイナを備えるＨＭＤの断面図であり、図２（ｂ）は、その平面図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、レンズが存在しない場合と存在する場合の視野角を説明する図である。

【図4】現実世界の光の伝搬を説明する図である。

【図5】視野角ＦｏＶの拡大を説明する図である。

【図6】導波路の屈折率ｎと拡大前の最大視野角θの関係を示す図である。

【図7】導波路の屈折率ｎと拡大後の最大視野角を、レンズ基板の屈折率ｎ’をパラメータとして示す図である。

【図8】レンズのフィルファクタを説明する図である。

【図9】フィルファクタを１２％、３８％、７８％としたときの、眼の到達照度分布を示す図である。

【図10】フィルファクタとコントラスト比の関係を示す図である。

【図11】図１１（ａ）～（ｃ）は、出射部のサイズＷと、レンズの径φの関係を説明する図である。

【図12】図１２（ａ）～（ｅ）は、出射部とレンズの配置を説明する図である。

【図13】図１３（ａ）～（ｅ）は、出射部の構成例を示す断面図である。

【図14】図１４（ａ）～（ｃ）は、レンズの構成例を示す断面図である。

【図15】図１５（ａ）～（ｃ）は、コンバイナの製造方法の一例を説明する図である。

【図16】図１６（ａ）～（ｃ）は、コンバイナの製造方法の別の一例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素または重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0016】

一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ用のコンバイナは、その入射領域において仮想世界の画像を受け、その出射領域に離散的に配置された複数の出射部を有する導波路と、導波路の複数の出射部に対応する複数の位置に離散的に設けられた複数のレンズを含むレンズアレイと、を備える。

【0017】

一実施形態に係るコンバイナは、導波路と、導波路の面内に離散的に設けられた複数の射出構造と、を備える。射出構造は、導波路に形成される出射部と出射部とオーバーラップするレンズを含む積層構造を有する。

【0018】

これらの構成によれば、導波路の出射部から取り出された仮想世界の像を、レンズによって拡大することにより、視野を拡大できる。またレンズを離散的に配置することにより、現実世界の像（外光）は、レンズとレンズの間を通過して網膜上に結像することができる。

【0019】

一実施形態において、出射部のサイズは、レンズのサイズよりも小さくてもよい。これにより、収差の影響を抑制できる。

【0020】

一実施形態において、コンバイナの出射領域に対する複数のレンズの占める面積の比（フィルファクタ）は、１／２以下であってもよい。レンズは外光を散乱するため、レンズを通過した外光は、網膜に結像しないノイズ成分となる。フィルファクタを１／２以下とすることで、コントラスト比を１以上とすることができる。

【0021】

一実施形態において、レンズアレイは、一体成形されていてもよい。レンズアレイを一体成形することで、コンバイナの製造時において、複数のレンズと複数の出射部の位置合わせが容易となる。

【0022】

一実施形態において、導波路には、出射部として、レリーフ型回折格子、ホログラフィック回折格子、液晶回折光格子、回折光学素子、マイクロプリズムのいずれかが形成されてもよい。

【0023】

一実施形態において、レンズは、凹レンズ、フレネルレンズ、回折光学素子のいずれかであってもよい。

【0024】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示や発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示や発明の本質的なものであるとは限らない。

【0025】

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

【0026】

図２（ａ）は、実施形態に係るコンバイナ１００を備えるＨＭＤ２００の断面図であり、図２（ｂ）は、その平面図である。ＨＭＤ２００は、コンバイナ１００に加えてディスプレイ装置２１０を備える。ディスプレイ装置２１０は、仮想世界の画像を表示する。ディスプレイ装置２１０は、表示デバイス２１２およびレンズなどの光学系２１４を有する。光学系２１４は、ユーザの目から表示デバイス２１２の発光面までの見かけの距離を設定する。この例では、表示デバイス２１２は仮想的に無限遠あるいはそれに準ずる距離（５ｍ以上）に配置されており、ディスプレイ装置２１０の出射光Ｌ１は、平行光（平面波）として出力される。図２（ａ）には、表示デバイス２１２上の異なる３点から発せられる主光線のみを示している。

【0027】

コンバイナ１００は、主として、導波路１１０およびレンズアレイ１２０を備える。導波路１１０は、その入射領域（入射部）１１２に、ディスプレイ装置２１０からの光（仮想世界の画像）Ｌ１を受ける。たとえば入射領域１１２には、入射回折格子１１２ａと、射出瞳拡大（ＥＰＥ：Exit Pupil Expander）素子１１２ｂが形成される。入射回折格子１１２ａにおいて導波路１１０に結合した光線Ｌ１は、ＥＰＥ素子１１２ｂにおいて複製される。ＥＰＥ素子１１２ｂの構成は特に限定されるものではなく、公知技術あるいは将来利用可能な技術を用いればよく、たとえば回折格子で構成してもよいし、マイクロプリズムであってもよいし、マイクロレンズアレイであってもよい。なお、人間の目の位置とコンバイナ１００の相対的な位置関係を高精度に位置決め可能な場合、ＥＰＥ素子１１２ｂは省略してもよい。

【0028】

ＥＰＥ素子１１２ｂにより複製された光線Ｌ１’は、導波路１１０の内部を全反射しながら出射領域１１４に向かって伝搬する。

【0029】

導波路１１０の出射領域１１４には、複数の出射部１１６が離散的に設けられている。この例において、出射部１１６は、導波路１１０の表面に形成される回折格子である。

【0030】

導波路１１０の出射領域１１４には、レンズアレイ１２０が設けられる。レンズアレイ１２０は、アレイ状に配置される複数のレンズ（マイクロレンズともいう）１２２を含んでいる。本実施例では、レンズ１２２は凹レンズであるが、その限りでなく、その他の拡大素子を用いることができる。

【0031】

複数のレンズ１２２は、複数の出射部１１６と対応している。レンズ１２２は、図２（ｂ）の平面図で見たときに、対応する出射部１１６とオーバーラップする位置に設けられる。より具体的には、出射部１１６は、対応するレンズ１２２の光軸上に配置される。隣接するレンズ１２２は、ＨＭＤ２００の装着時の水平方向（図２（ａ）の紙面左右方向）に関してギャップ（非レンズ部分）１２４を隔てて配置され、ＨＭＤ２００の装着時の垂直方向（鉛直方向、図２（ｂ）の紙面上下方向）に関してギャップ１２６を隔てて配置されている。ギャップ１２４の長さをｄｘ、ギャップ１２６の長さをｄｙとする。ｄｘはｄｙと等しくてもよいし、異なっていてもよい。さらに言えば、水平方向の複数のギャップ１２４の長さｄｘは均一であってもよいし、非均一であってもよく、垂直方向の複数のギャップ１２６の長さｄｙは均一であってもよいし、非均一であってもよい。

【0032】

後述するように、レンズアレイ１２０は一体成形してもよい。これにより、対応する出射部１１６とレンズ１２２の位置合わせが容易となる。一体成形されたレンズアレイ１２０を、レンズ基板と称する。

【0033】

オーバーラップして形成されるレンズ１２２および出射部１１６のセットは、拡大機能付きの射出構造１３０と把握することができる。つまりコンバイナ１００は、導波路１１０と、導波路１１０の出射領域１１４内に離散的に設けられた複数の射出構造１３０を備える。各射出構造１３０は、導波路１１０に形成される出射部１１６と、出射部１１６とオーバーラップするレンズ１２２と、を含んでいる。

【0034】

以上がＨＭＤ２００の構成である。続いてその動作を説明する。

【0035】

初めに、仮想世界の光Ｌ１について説明する。ディスプレイ装置２１０は、仮想世界の像に対応する光Ｌ１を、平行光として出射する。ここで図２（ａ）の破線は、表示デバイス２１２の左端から放射される光の主光線を示し、図２（ａ）の一点鎖線は、表示デバイス２１２の右端から放射される光の主光線を示すものとする。つまり、２つの主光線のなす角度θｉは、それを直接人間が見たときの視野角ＦｏＶに相当する。ここでは水平方向の視野角に着目するが、垂直方向も同様である。

【0036】

光Ｌ１は、入射領域１１２において導波路１１０と結合し、出射領域１１４に向かって伝搬する（Ｌ１’）。そして出射領域１１４に離散的に設けられた複数の出射部１１６から出射する。

【0037】

図３（ａ）、（ｂ）は、レンズ１２２が存在しない場合と存在する場合の視野角を説明する図である。図３（ａ）に示すように、ある出射部１１６から出射される光Ｌ１”は、導波路１１０の屈折率ｎで制限された視野角θｏで放射される。

【0038】

一方、図３（ｂ）に示すように、レンズ１２２を設けた場合、出射部１１６から視野角θｏで放射される光Ｌ１”は、パワーを有するレンズ１２２によって拡大される。拡大後の光Ｌ１”の視野角は、θｏからφに広がることとなる。

【0039】

続いて現実世界の光Ｌ２について説明する。

【0040】

図４は、現実世界の光Ｌ２の伝搬を説明する図である。導波路１１０には、現実世界の像に対応する外光Ｌ２が入射する。外光Ｌ２の一部Ｌ２ｓは、レンズ１２２のギャップ（１２４，１２６）を通過し、外光Ｌ２の残りの部分Ｌ２ｎは、レンズ１２２を通過する。

【0041】

人間（ユーザ）がある程度遠くに焦点を合わせているとき、遠くに存在する物体からの光Ｌ２は平行光とみなすことができる。レンズ１２２のギャップを通過した光Ｌ２ｓは、平行光のまま、コンバイナ１００から出射される。したがってユーザが遠くにピントをあわせているとき、ギャップを通過した光Ｌ２ｓは、網膜上に結像する。

【0042】

一方、外光Ｌ２のうちレンズ１２２を通過する光Ｌ２ｎは、レンズ１２２によって拡散される。言い換えると、レンズ１２２は、遠くに存在する現実世界の像の虚像を、実際の距離よりも近い位置に発生させる。ユーザが遠くにピントを合わせているとき、この虚像は、網膜上で結像せず、したがってレンズ１２２を通過した外光Ｌ２ｎはノイズ成分となる。

【0043】

図２に戻る。コンバイナ１００は、ディスプレイ装置２１０からの光Ｌ１と外光Ｌ２を結合し、それらの合成画像Ｌ３を人間の目に出力する。以上がコンバイナ１００の動作である。

【0044】

図５は、視野角ＦｏＶの拡大を説明する図である。導波路１１０の屈折率をｎ、レンズアレイ（レンズ基板）１２０の屈折率をｎ’とする。θは、拡大前の最大視野角（半画角）ＦｏＶを、φは拡大後の最大視野角（半画角）ＦｏＶを示す。

【0045】

拡大前の最大視野角θは、導波路１１０の屈折率ｎに応じて定まる。図６は、導波路の屈折率ｎと拡大前の最大視野角θの関係を示す図である。図６には、各屈折率ｎにおいて、最大視野角θを得るために必要な、回折格子（出射部１１６）のピッチを示す。拡大前の最大視野角θは、屈折率ｎが高いほど大きくなるが、ｎは最大で２程度であるから、最大視野角θは、６０度以下に制限される。

【0046】

この光学系において、出射部１１６がレンズ１２２の焦点に存在する場合、以下の式が成り立つ。
θ＝θ’
ｎ’ｓｉｎθ’＝ｓｉｎφ
つまり拡大後の最大視野角φは、
φ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ’ｓｉｎθ’）
から得ることができる。

【0047】

図７は、導波路の屈折率ｎと拡大後の最大視野角を、レンズ基板の屈折率ｎ’をパラメータとして示す図である。たとえば、ｎ’＝１．９の屈折率を有するレンズ基板を使うと、最大視野角を、５３．５度から１１７．５度まで拡大することができる。

【0048】

なお、導波路１１０やレンズアレイ１２０は、透明な材質であればよく、ガラス、石英や樹脂などを用いることができる。

【0049】

このコンバイナ１００によれば、仮想世界の光Ｌ１の視野角を広げて、現実世界の光Ｌ２と結合することができる。この構成において、拡大された視野角φは、レンズ基板の屈折率ｎ’に応じて設計することができる。したがって、従来の回折格子のみを備えたコンバイナのように、導波路の屈折率ｎのみに制約されず、６０度を超える大きな視野角を実現することができ、仮想世界の像を、視野いっぱいに表示することが可能となる。

【0050】

あるいは、従来技術において、６０度またはそれに近い視野角を実現するためには、導波路１１０の材料として、屈折率ｎが高いものを選択する必要があり、材料に制約があった。これに対して本実施形態によれば、従来技術と同じ視野角を実現するために必要な導波路１１０の屈折率を下げることができる。このことは、導波路１１０の材料の選択肢が広がることを意味し、設計の自由度を高めることができる。

【0051】

（フィルファクタ）
続いて、レンズのフィルファクタについて説明する。上述のように、外光Ｌ２のうち、レンズ１２２を通過する光は拡散されてノイズとなり、レンズ１２２のギャップを通過する光が信号成分となる。

【0052】

図８は、レンズのフィルファクタを説明する図である。コンバイナ１００の出射領域１１４には、レンズ部分Ｓ_ｌと、非レンズ部分Ｓ_ｔが設けられる。非レンズ部分Ｓ_ｔは、上述のギャップに相当する部分である。

【0053】

出射領域１１４全体（Ｓ_ｌ＋Ｓ_ｔ）に対する複数のレンズ１２２（レンズ部分Ｓ_ｌ）の占める面積の割合（比）を、レンズのフィルファクタＦＦとして定義する。
ＦＦ＝Ｓ_ｌ／（Ｓ_ｌ＋Ｓ_ｔ）

【0054】

非レンズ部分を通過した外光が信号成分、レンズ部分を透過した外光がノイズ成分となることから、フィルファクタＦＦが小さいほど、コントラスト比（Ｓ／Ｎ比）は高くなる。

【0055】

図９は、現実世界の矩形照度分布が、フィルファクタが１２％、３８％、７８％である出射領域１１４を通過したときの、眼の到達照度分布を示す図である。

【0056】

フィルファクタが大きいと、矩形のシグナル範囲の外光はより多く散乱され、矩形のノイズ成分が大きくなる。これはノイズフロアが上昇しているともいえる。これに対して、フィルファクタを小さくすると、矩形のシグナル成分が大きくなり、ノイズフロアが低下する。

【0057】

矩形分布のシグナル成分に対するノイズ成分の比をコントラスト比と定義する。図１０は、フィルファクタとコントラスト比の関係を示す図である。コントラスト比が１以下は、ノイズ光の方が多く、現実世界の像を識別できないことを意味する。フィルファクタが５０％のとき、コントラスト比は３程度であり、現実世界の像を識別することが可能となる。フィルファクタが７０％の場合でも、コントラスト比は２程度である。つまり、フィルファクタは７０％以下であることが好ましく、より好ましくは、５０％（１／２）以下であることが好ましい。

【0058】

（出射部１１６とレンズ１２２のサイズ）
図１１（ａ）～（ｃ）は、出射部１１６のサイズＷと、レンズ１２２の径φの関係を説明する図である。ここでは視野の水平方向について検討することとする。この場合、出射部１１６の幅Ｗが出射部１１６のサイズとなる。図１１（ａ）は、Ｗ＜φの場合を示している。出射部１１６は、ほぼ実質的にレンズ１２２の焦点の近傍に局在している。したがって、出射部１１６から放射される光束は、レンズ１２２によって正しく拡大される。

【0059】

図１１（ｂ）は、Ｗ≒φの場合を、図１１（ｃ）は、Ｗ＞φの場合を示す。図１１（ｂ）や（ｃ）では、出射部１１６の中央付近、つまりレンズ１２２の光軸上の点から放射される光は、図１１（ａ）と同様に、正しく拡大される。一方で、レンズ１２２の光軸から離れた点から放射される光は、正しく拡大されず、収差が生じ、また像が歪むこととなる。収差の大きさは、レンズ１２２の光軸から離れるほど大きくなり、したがって、Ｗが大きいほど、収差の影響が大きくなる。このことから、Ｗ＜φが成り立つことが好ましく、より具体的にはＷ＜φ／４とするとよい。

【0060】

（変形例）
以下、コンバイナ１００の変形例について説明する。

【0061】

（変形例１）
導波路１１０に関して、出射部１１６（回折格子）は透過型だけでなく、反射型や反射型と透過型を組み合わせた構成でもよく、したがって出射部１１６を形成する面は限定されない。またレンズアレイ１２０に関しても、レンズ１２２を形成する面は限定されない。

【0062】

図１２（ａ）～（ｅ）は、出射部１１６とレンズ１２２の配置を説明する図である。図１２（ａ）、（ｃ）、（ｅ）では、出射部１１６は透過型であり、レンズアレイ１２０と対向する導波路１１０の面Ｓ１に形成される。図１２（ｂ）、（ｄ）では、出射部１１６は反射型であり、レンズアレイ１２０と対向する面Ｓ１と反対の面Ｓ２に形成される。

【0063】

また図１２（ａ）、（ｂ）では、レンズ１２２は、導波路１１０と対向するレンズアレイ１２０の面Ｓ３に形成される。図１２（ｃ）～（ｅ）では、レンズ１２２は、導波路１１０と対向する面Ｓ３と反対の面Ｓ４に形成される。

【0064】

図１２（ａ）～図１２（ｄ）では、導波路１１０内を伝搬する光が出射部１１６以外の場所でレンズアレイ１２０と結合しないように、導波路１１０とレンズアレイ１２０の間にはギャップが挿入される。図１２（ｅ）に示すように、レンズアレイ１２０と導波路１１０は、出射部１１６およびレンズ１２２の位置において、オプティカルコンタクトが取られていてもよい。

【0065】

（変形例２）
出射部１１６の構成は、回折格子に限定されない。図１３（ａ）～（ｅ）は、出射部１１６の構成例を示す断面図である。図１３（ａ）の出射部１１６はすでに説明したレリーフ型回折格子であるが、傾斜の有無は問わない。

【0066】

図１３（ｂ）の出射部１１６は、ホログラフィック回折格子（体積位相格子）である。図１３（ｃ）の出射部１１６は、配向が周期的に分布している液晶（液晶回折格子）である。図１３（ｄ）の出射部１１６は、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）である。図１３（ｅ）の出射部１１６は、マイクロプリズムである。

【0067】

（変形例３）
レンズ１２２の構成は、凹レンズに限定されない。図１４（ａ）～（ｃ）は、レンズ１２２の構成例を示す断面図である。図１４（ａ）のレンズ１２２はすでに説明した凹レンズである。図１４（ｂ）のレンズ１２２は、フレネルレンズである。図１４（ｃ）のレンズ１２２は、回折光学素子（ＤＯＥ）である。

【0068】

図１３（ａ）～（ｅ）の出射部１１６の任意のひとつを、図１４（ａ）～（ｃ）のレンズ１２２の任意のひとつと組み合わせることができる。

【0069】

（変形例４）
図２では、ディスプレイ装置２１０とレンズアレイ１２０が、導波路１１０に対して同じ面側に設けられていたがその限りでなく、ディスプレイ装置２１０は、レンズアレイ１２０と反対側に設けてもよいし、光Ｌ１が、導波路１１０の端面に結合するようにしてもよい。

【0070】

（変形例５）
実施形態では、複数のレンズ１２２が一体形成されたが、その限りでなく、複数のレンズ１２２は個別に構成されてもよい。あるいは、１列（１行）ごとに一体形成したレンズアレイを、行方向（列方向）に並べてもよい。

【0071】

（製造方法）
最後にコンバイナ１００の製造方法を説明する。

【0072】

図１５（ａ）～（ｃ）は、コンバイナ１００の製造方法の一例を説明する図である。

【0073】

はじめに図１５（ａ）を参照し、導波路１１０の製造工程の一例を説明する。ここでは出射部１１６は、図１３（ａ）に示したレリーフ型回折格子であるものとする。

【0074】

はじめに基板３００にレジスト３０２を塗布し、リソグラフィーにより露光・現像を行い、レジスト３０２をパターニングする。パターニングされたレジスト３０２をマスクとしてエッチングを行うことで、基板３００に回折格子のパターン３０４が転写される。最後にレジスト３０２を剥離することで、出射部１１６として機能するレリーフ型回折格子が形成される。

【0075】

図１５（ｂ）を参照して、レンズアレイ（レンズ基板）１２０の製造工程の一例を説明する。レンズ１２２は、図１４（ａ）に示した凹レンズである。はじめに、基板４００に樹脂４０２を塗布する。続いてナノインプリントで樹脂４０２を凹レンズ型４０４にパターニングする。続いて、パターニングされた樹脂４０２をマスクとして、エッチングを行い基板４００に凹レンズの形状４０６を転写する。最後に樹脂４０２を剥離することで、複数のレンズ１２２が形成されるレンズアレイ（レンズ基板）１２０が完成する。

【0076】

図１５（ｃ）には、導波路１１０とレンズアレイ１２０の組み立て工程が示される。図１５（ａ）で作製した導波路１１０と図１５（ｂ）で作製したレンズアレイ１２０は、各出射部１１６が、対応するレンズ１２２の光軸上に位置するようにアライメントされ、接着される。接着には接着材４０８を用いてもよい。

【0077】

図１６（ａ）～（ｃ）は、コンバイナ１００の製造方法の別の一例を説明する図である。

【0078】

はじめに図１６（ａ）を参照し、導波路１１０の製造工程の別の一例を説明する。この例において出射部１１６は、図１３（ｂ）に示したホログラフィック回折格子である。はじめに基板３００に、感光性樹脂３１０を塗布する。続いて、二光束干渉の干渉縞により、感光性樹脂３１０に露光を行い、光の強度差で周期的な屈折率分布を形成する。この周期的な屈折率分布が、出射部１１６として機能するホログラフィック回折格子となる。

【0079】

図１６（ｂ）を参照して、レンズアレイ（レンズ基板）１２０の製造工程の別の一例を説明する。この例において、レンズ１２２は、図１４（ａ）に示した凹レンズである。はじめにレンズアレイの型４１０を用意する。そして型４１０に、プリフォームガラス４１２を流し込み、充填する。そしてプリフォームガラス４１２を冷却する。プリフォームガラス４１２の硬化後に型４１０を取り外すと、複数のレンズ１２２を有するレンズアレイ１２０が得られる。

【0080】

図１６（ｃ）には、導波路１１０とレンズアレイ１２０の組み立て工程が示される。図１６（ａ）で作製した導波路１１０と図１６（ｂ）で作製したレンズアレイ１２０は、各出射部１１６が、対応するレンズ１２２の光軸上に位置するようにアライメントされ、接着される。接着には接着材４０８を用いてもよい。

【0081】

レンズアレイ１２０の製造方法は、図１５（ｂ）や図１６（ｂ）で説明したものに限定されず、たとえば機械加工によってレンズ１２２を形成してもよい。具体的には、フライス盤などを用いてレンズ基板の表面を、レンズ形状を有するように機械加工する。そしてレンズ面を研磨し、レンズアレイとして機能する基板を製造する。

【0082】

実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められ、そうした変形例も本発明の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0083】

１００ コンバイナ
１１０ 導波路
１１２ 入射領域
１１２ａ 入射回折格子
１１２ｂ ＥＰＥ素子
１１４ 出射領域
１１６ 出射部
１２０ レンズアレイ
１２２ レンズ
１３０ 射出構造
２００ ＨＭＤ
２１０ ディスプレイ装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】