特許 7465826 導光板、導光板モジュールおよび画像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-03

(45)【発行日】2024-04-11

(54)【発明の名称】導光板、導光板モジュールおよび画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240404BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20240404BHJP

   G02B 1/02 20060101ALI20240404BHJP

   G02B 5/08 20060101ALI20240404BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20240404BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B6/124

G02B1/02

G02B5/08 A

G02B5/18

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021015366

(22)【出願日】2021-02-02

(65)【公開番号】P2022118671

(43)【公開日】2022-08-15

【審査請求日】2023-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】501009849

【氏名又は名称】株式会社日立エルジーデータストレージ

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】峯邑 浩行

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／２５５４８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２６４３７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－００８５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８８９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０３７３０９９１（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１，２７／０２

Ｇ０２Ｂ １／０２

Ｇ０２Ｂ ５／０８，５／１８

Ｇ０２Ｂ ６／１２４

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高分子化合物からなる材料で構成された基板と、
入射した光を回折する入射回折格子と、
前記入射回折格子で回折された光を前記基板から出射する出射回折格子を備え、
前記出射回折格子は、前記基板に形成されたメッシュ状格子パターンを備え、
該メッシュ状格子パターンは、第１の平行な直線群と、前記第１の平行な直線群と交わる第２の平行な直線群から構成され、前記第１の平行な直線群のピッチと前記第２の平行な直線群のピッチは等しく、
前記入射回折格子と前記メッシュ状格子パターンの間に、前記第１の平行な直線群あるいは前記第２の平行な直線群のみからなるライン領域を備え、
前記入射回折格子の上に反射コーティングが施されるとともに、前記ライン領域の少なくとも一部にも反射コーティングが施されており、
前記入射した光は前記入射回折格子で回折されて前記基板内部を伝搬し、前記ライン領域を出射することなく通過し、前記メッシュ状格子パターンから出射する、
導光板。

【請求項2】

前記メッシュ状格子パターンは凹凸パターンであり、
前記凹凸パターンのアスペクト比が１以下である、
請求項１記載の導光板。

【請求項3】

前記ライン領域は、前記第１の平行な直線群のみからなる第１の部分と、前記第２の平行な直線群のみからなる第２の部分を備え、
前記第１の部分と前記第２の部分は同一面積同一形状の矩形であり、
前記メッシュ状格子パターンの領域は矩形であり、
前記第１の部分と前記第２の部分は同一長さの辺で空隙を設けて相対し、
前記第１の部分と前記メッシュ状格子パターンの領域は、前記第１の平行な直線群が連続して形成され、
前記第２の部分と前記メッシュ状格子パターンの領域は、前記第２の平行な直線群が連続して形成されている、
請求項１記載の導光板。

【請求項4】

前記反射コーティングが連続した領域に構成されている、
請求項１記載の導光板。

【請求項5】

前記第１の平行な直線群のピッチと、第２の平行な直線群のピッチと、前記入射回折格子のピッチは等しい、
請求項１記載の導光板。

【請求項6】

前記入射回折格子は、入射した光が反射回折して前記基板の内部を伝播する反射型の回折格子であり、前記基板の前記出射回折格子と同じ面に形成されている、
請求項１記載の導光板。

【請求項7】

前記ライン領域は、前記第１の平行な直線群のみからなる第１の部分と、前記第２の平行な直線群のみからなる第２の部分を備える、
請求項１記載の導光板。

【請求項8】

前記第１の平行な直線群あるいはその延長線と前記第２の平行な直線群あるいはその延長線は、前記入射回折格子を上にしたとき略Ｖ字型を形成する、
請求項７記載の導光板。

【請求項9】

前記第１の部分と前記第２の部分はともに同一面積同一形状の矩形であり、前記第１の部分と前記第２の部分の相対する同じ長さの辺の間に空隙を設けた、
請求項７記載の導光板。

【請求項10】

前記空隙の幅は、前記入射した光の波長の１０倍以上大きい、
請求項９記載の導光板。

【請求項11】

前記ライン領域の長さは、前記導光板の厚さ以上、前記メッシュ状格子パターンの領域の長さ以下である、
請求項１記載の導光板。

【請求項12】

請求項１に記載の導光板を複数積層して構成した導光板モジュール。

【請求項13】

前記反射コーティングのカバーする領域が導光板ごとに同じではない、
請求項１２記載の導光板モジュール。

【請求項14】

請求項１２記載の導光板モジュールと、前記導光板モジュールに映像光を照射するプロジェクタとを備える画像表示装置であって、
前記映像光が前記入射回折格子に入射される、
画像表示装置。

【請求項15】

前記導光板モジュールは、前記プロジェクタが配置された側と反対側に前記映像光を射出する、
請求項１４記載の画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、導光板、導光板モジュールおよび画像表示装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。こうした画像表示装置に「特許文献１」～「特許文献４」に記載されているものがある。

【0003】

「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つの出射用の回折格子は，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。また，「特許文献１」には，円柱状のフォトニック・クリスタル型の周期構造により，出射用の回折格子を１面に形成する例が記載されている。

【0004】

「特許文献２」に記載されている画像表示装置は「特許文献１」におけるフォトニック結晶により投影された像が視野中央部で輝度が高い問題を解決するため，複数の直線状の側面で光学的な構造を構成する技術が開示されている。

【0005】

「特許文献３」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のため，樹脂からなる部材を用いた導光板が開示されている。

【0006】

「特許文献４」は，ユーザに認識される映像の輝度を向上して視認性を高めるため，入射回折格子から出射回折格子への光路中にある中間回折格子を備えた導光板が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特表２０１７－５２８７３９号公報

【文献】ＷＯ ２０１８／１７８６２６ Ａ１

【文献】特開２０２０－８５９９号公報

【文献】特開２０２０－７９９０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

導光板内では，光線が複製され空間的に広がって出射するため，ユーザに視認される光線は，空間的広がりが大きいほど少なくなり，視認される輝度が小さくなる。一方，元の映像情報のピクセル位置によって，ユーザに視認される出射位置が変化することから，導光板を用いた画像表示装置では，ピクセル位置によって輝度が変化することが不可避となっている。

【0009】

そこで本発明の課題は，ユーザが視認する画像情報のピクセル位置による輝度の変化を抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の好ましい一側面は、基板と、入射した光を回折する入射回折格子と、前記入射回折格子で回折された光を前記基板から出射する出射回折格子を備え、前記出射回折格子は、前記基板に形成されたメッシュ状格子パターンを備え、該メッシュ状格子パターンは、第1の平行な直線群と、前記第１の平行な直線群と交わる第２の平行な直線群から構成され、前記第1の平行な直線群のピッチと第２の平行な直線群のピッチは等しく、前記入射回折格子と前記メッシュ状格子パターンの間に、前記第１の平行な直線群あるいは前記第２の平行な直線群のみからなるライン領域を備える、導光板である。

【0011】

本発明の好ましい他の一側面は、前記の導光板を複数積層して構成した導光板モジュールである。

【0012】

本発明の好ましい他の一側面は、前記の導光板モジュールと、前記導光板モジュールに映像光を照射するプロジェクタとを備える画像表示装置であって、前記映像光が前記入射回折格子に入射される、画像表示装置である。

【発明の効果】

【0013】

ユーザが視認する画像情報の輝度のピクセル位置による変化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1A】回折格子の断面摸式図。

【図1B】回折格子上に薄膜コーティングを形成した断面摸式図。

【図2】出射回折格子の位相関数の例を示すグラフ図。

【図3】実施例のメッシュ型回折格子を示す斜視図。

【図4】アスペクト比と表示性能の関係を示すシミュレーション結果のグラフ図。

【図5】断面形状と回折効率の関係を示すシミュレーション結果のグラフ図。

【図6】出射円の定義を示す概念図。

【図7】導光板内部を伝播する光線の強度分布のシミュレーション結果を示す分布図。

【図8】実施例の導光板を示す摸式図。

【図9】導光板の回折格子と波数ベクトルの関係を示す摸式図。

【図10】投影像のシミュレーション結果を示す説明図。

【図11】入射回折格子の回折光線を示すシミュレーション結果を示す説明図。

【図12A】プロジェクタとユーザが導光板の同じ側に配置された例の摸式図。

【図12B】プロジェクタとユーザが導光板の反対側に配置された例の摸式図。

【図13】実施例の導光板の形成方法を示す摸式断面図。

【図14A】導光板の出射回折格子のＡＦＭ観察結果のイメージ図。

【図14B】導光板の出射回折格子のＡＦＭ観察結果のイメージ図。

【図15】実施例の導光板の回折格子パターンを示す摸式図。

【図16A】実施例の導光板の別の回折格子パターンを示す摸式図。

【図16B】実施例の導光板の別の回折格子パターンを示す摸式図。

【図16C】実施例の導光板の別の回折格子パターンを示す摸式図。

【図17】実施例の導光板内部の映像光線の経路を示す模式図。

【図18】伝搬ピッチＴＰの計算結果を示すグラフ図。

【図19A】導光板の摸式図。

【図19B】導光板の中央部1900の拡大図で理想的な場合の摸式図。

【図19C】導光板の中央部1900の拡大図でラインパターンの位相がずれて形成された模式図。

【図19D】導光板の中央部1900の拡大図で２つラインパターンの境界部に長さδの間隙を設けた場合の模式図。

【図20】実施例の回折格子の回折方向を説明する摸式図。

【図21】実施例の画像表示装置の構成を示す摸式図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

実施例で説明されるいくつかの特徴を説明する。以下，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について説明する。また，理解の容易のため，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，導光板に対して目と同じ側に配置した映像光源から前方のスクリーンに投影した投影像について，ピクセル位置と輝度の関係を議論する。実際に視認される像は，これに対して上下反転したものとなる。

【0016】

また，実施例では安全性、軽量化、コスト低減の観点からプラスチック製の導光板を採用した。従来のガラス製の導光板に比較してプラスチック製の導光板は機械強度（ヤング率）が小さいため，環境温度や気圧による変形が大きくなる。変形の影響を低減するには，導光板を挟んで映像源とユーザが反対側に位置するような透過型の光学構成にすることが有効である。この場合，導光板からユーザの目の方向に向けて映像光を回折するためには，透過回折を用いることになる。一般に，透過回折効率は反射回折効率に比較して小さいため，ガラス製導光板に比較して，ユーザが視認する画像情報の輝度が低下する。このため，回折効率を向上させるなどして，輝度を向上させることが望ましい。

【0017】

本明細書では「プラスチック」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、光硬化樹脂等を含む概念である。

【0018】

出射回折格子の上にスパッタリング法等により薄膜コーティングを形成することにより，ユーザの眼の方向への回折効率を向上させることができるようになるため，輝度が向上する。プラスチック製導光板の表面に形成した凹凸パターンによる回折効率の上限は，光源の波長とパターン高さおよびプラスチック材料の屈折率によって主として定まり，最大で約４％程度である。出射回折格子の上に誘電体材料で薄膜コーティング層を形成することにより，これを２倍程度に向上することが可能である。

【0019】

図１Ａおよび図１Ｂは，薄膜コーティングによる出射回折格子の回折効率の向上を説明する摸式図である。

【0020】

図１Ａはプラスチック製の導光板の断面の摸式図である。導光板100はプラスチック材料により形成され，表面に出射回折格子102が凹凸パターンとして形成されている。射出成型法等のプラスチック成型技術を利用すると，これらは一体成型として同じ材料により形成される。ただし，射出成型法等のプラスチック成型技術では，出射回折格子の凹凸パターンのアスペクト比（高さ／幅）は概略１以下にすることが好ましい。

【0021】

凹凸パターンのアスペクト比が１を超えると，光ディスク媒体の製法として実績のある射出成型技術等で形成される表面凹凸パターンのパターン転写の精度が低下する。これは，溶融したポリカーボネート樹脂，アクリル樹脂，ポリオレフィン樹脂等は粘性が高く，ナノメータ周期で構成された高アスペクト比の凹凸に精度よく樹脂が入らなくなるためである。

【0022】

図１Ｂはスパッタリング法等により，図１Ａの出射回折格子102の表面に誘電体膜のコーティング層103を形成した場合の摸式図である。表面には元のグレーティングパターンの凹凸を反映して，誘電体材料の凹凸パターンが形成される。このとき，用いる誘電体材料の屈折率をプラスチック材料の屈折率よりも高くすることによって，位相変調量は誘電体材料と空気の屈折率差を反映して大きくなる。入射光に対する出射回折格子の位相変調量は，凸部のプラスチック材料の屈折率と凹部の空気の屈折率の差に支配されるためである。よって，凹凸パターンのアスペクト比が１以下であっても，大きな回折効率を得ることが可能となる。

【0023】

詳細にはＦＤＴＤ（Finite Differential Time Domain）法等により電磁場解析を実施して所定の回折効率が得られるように，誘電体材料の膜厚を定める必要がある。形成する誘電体材料の膜厚は１０ｎｍから２００ｎｍ程度で回折効率を増大する効果を得ることができる。

【0024】

また，特許文献１が示すフォトニック結晶や回折格子は，表面凹凸により入射光に対して空間的に位相変調を及ぼすものである。位相変調の大きさは，表面構造と空気の屈折率の差および表面凹凸の高さに比例して大きくなる。

【0025】

射出成型法等で円柱状のフォトニック結晶を導光板表面に形成する場合，円柱の屈折率は導波路（もしくは基板）と等しくなる。この場合，円柱の直径と高さの比であるアスペクト比が2程度以上に大きくないと，投影像の輝度が不十分となる。特許文献１のフォトニック結晶をそのままプラスチック基板に用いたのでは，導光板の表面に転写される凹凸パターンのアスペクト比が大きく，射出成型法等の実績のあるプラスチック成型技術では形成が困難である。

【0026】

本実施例では，出射回折格子102として２次元のメッシュ状のパターンの回折格子を使用する。これにより，導光板の表面に転写される凹凸パターンのアスペクト比を小さくでき，射出成型法等の実績のあるプラスチック成型技術を用いた導光板を提供することができる。本実施例では，光軸方向をZ軸にとり，導光板の表面にXY面をとる座標系で説明を進める。

【0027】

図２は出射回折格子の波数を摸式的に示すものである。Y軸に対して±６０度の方位角をもつ波数Ｋ１，Ｋ２をもつ回折格子の位相関数はそれぞれ図２(a),図２(b)に示され，それぞれは正弦波状の位相分布をもつ。位相変調量は１に規格化している。これらを合成すると図２(c)が得られ，特許文献１が示すフォトニック結晶は，これをピラー（円柱）等に近似して高屈折率の材料で導光板の表面に形成したものと言える。図に見られるようにＫ１＋Ｋ２の位相変調量の最大値は２となり，特許文献１が開示する孤立した円柱等でこれを近似すると，図２(a),図２(b)の単一の正弦波回折格子に比較して２倍の高さ（アスペクト比）が必要となることが判る。

【0028】

図３は実施例で採用したメッシュ型の出射回折格子102の斜視図である。図２(c)に比較して，正弦波構造ではないため，フーリエ変換すると高次の波数成分をもつが，導光板として利用する場合，周期を適切に選択することにより２次以上の波数成分は，入射光に対して回折不能（波数が虚数）となるようにできる。その上で，メッシュ状の回折格子は±６０度の矩形回折格子を重ね合わせたものであり，円柱等に比較して，基本波Ｋ１，Ｋ２の方向以外の波数成分をもたないため回折効率が高くできる。

【0029】

図４は，同一の基板材料で射出形成により作成した回折格子を用いた場合の，メッシュ型の出射回折格子と，「特許文献１」に記載のピラー型の出射回折格子の，凹凸パターンのアスペクト比（高さｈ／幅ｗ）と投影像の中央部と周辺部の輝度の比の関係を示す波動計算結果である。投影像の中央部と周辺部の輝度の比が１に近いほど，輝度が均一で視認性に優れ，品質が高い。

【0030】

図４に見られるように，メッシュ型の方が，小さなアスペクト比（例えば１以下）でこの条件を満たすことがわかる。一方で，射出成型法などによってプラスチックで導光板を作成する場合，プロセスマージンやロットばらつきなどを考慮すると，パターンのアスペクト比は小さいほど好ましく，さらには，ロットばらつきによる回折格子のアスペクト比の変動に対して，投影像の品質を一定にする方法があることが強く望まれる。

【0031】

実施例の入射回折格子に関しては，透過型回折格子でなく反射型回折格子とすることにより，屈折に対して偏向作用の大きな反射を利用することにより，低アスペクト比化を実現する。

【0032】

図５は入射回折格子高さと回折効率の関係を示す波動計算結果である。図５には回折格子の断面形状を併せて示している。ここでは，ZnS－SiO₂(20%)とSiO₂材料を用いて，交互に5層積層することにより，波長分離機能を有する干渉膜を回折格子の凹凸パターンの上に形成した場合の結果である。

【0033】

一般的に、２ステップ（2Step）型の回折格子に比べて，ブレーズ（Braze）型の回折格子の回折効率が高いことが知られているが，図に示すように，３ステップ（3Step）型の回折格子でも同等の回折効率を得ることができる。Si基板上に電子線描画で凹凸パターンを形成し，これを母型として電鋳によりNiスタンパを作成し，Niスタンパを用いて射出成型法によりプラスチック製導光板を作成することができる。このとき，電子線描画法で作成するSi母型には，ブレーズ型より３ステップ型の入射回折格子の方が工程数が少なくなるため適している。

【0034】

これらにより，アスペクト比を小さくした２次元の出射回折格子が提供でき，射出成型法等のプラスチック成型技術で実現でき，安全で軽量で画像輝度の高い導光板を提供できるようになった。

【0035】

実施例で推奨する技術によれば、表面凹凸型の回折格子を有する導光板（画像表示素子）において，出射回折格子の表面にスパッタリング法等により誘電体材料等の薄膜コーティング層を形成し，出射回折効率を４％以上に増加させることが可能となる。メッシュ型の出射回折格子を用いれば，射出成型法等により導光板のプラスチック化を実現し，安全で軽量で輝度の高い導光板を実現することができる。

【0036】

さらに，投影像の中央部の輝度が周辺に比較して高くなる問題の対策として，入射回折格子と出射回折格子の間に出射回折格子のラインを延伸させることにより，画質の向上を図る例を示しており，投影像の輝度比の均一化を図ることができる。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

本明細書で引用した刊行物、特許および特許出願は、そのまま本明細書の説明の一部を構成する。

【0043】

本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。

【0044】

本実施例では，光軸方向をZ軸にとり，導光板の表面にXY面をとる座標系で説明を進める。また，ユーザの瞳を円形に近似すると，ピクセル位置に応じてユーザに視認される導光板内の出射位置も円形となる。以下，これを出射円と呼ぶことにする。

【0045】

図６は出射円を説明するための摸式図である。ここでは画像を形成するための光源であるプロジェクタ300とユーザの瞳400が、導光板100に対して反対側に配置される場合を示している。入射回折格子101の波数ベクトルがｙ方向を向くとして，図中の矢印はｘ－ｚ面内の光線を表す。ここでは入射回折格子101がｘ方向の波数ベクトル成分を持たないとする。

【0046】

プロジェクタ300から出射した光線は、入射回折格子101によって、導光板100へと結合され全反射しながら導光板100内部を伝搬する。光線はさらに出射回折格子102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100内を全反射伝搬し，最終的に導光板100から出射する。出射した光線の一部はユーザの瞳400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。

【0047】

こうした凹凸型の回折格子を用いた導光板100では，プロジェクタ300から出射した光線の波数ベクトルＫは，導光板100の中で屈折してスネルの法則により波数ベクトルがＫ_０となる。さらに入射回折格子101によって導光板100内部を全反射伝搬が可能な波数ベクトルＫ_１に変換される。導光板100に設けられた出射回折格子102により回折作用を受け，Ｋ_２，Ｋ_３，・・・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。

【0048】

最終的に導光板100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300が導光板100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300が導光板100を介して，目と同じ側にある場合には，波数ベクトルに関して導光板100は反射ミラーと同じ作用となり，導光板100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。

【0049】

導光板100の機能は，プロジェクタ300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。このとき，複製された光線群はプロジェクタ300から出射した映像情報をもつ光線と等価な波数ベクトルをもちながら，空間的な広がりもっている。

【0050】

複製された光線群のうち一部はユーザの瞳400に入り，外界の情報と共に網膜に結像されることにより視認され，ユーザに外界の情報に加えた拡張現実の情報を提供することができる。映像情報をもつ光線はそ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Ｋ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±１枚した２枚から４枚程度が適当であると考えられる。

【0051】

ユーザに視認される映像光線のうち，視野の中央に対応する光線301は図に示すように，ｘ－ｚ面内を直進してユーザの瞳400に届けられる。導光板100の作用であるｙ方向への回折は明示的には表現されていないが，入射回折格子101と出射回折格子102で少なくとも各１回は回折されている。

【0052】

一方，ユーザに視認される映像光線のうち，視野周辺に対応する光線302はｘ方向の回折がない場合には図中，右側の方向に進行する。一方で，ユーザがこの光線を投影像として認識するためには，図中，視認される光線304として示した経路を通って，同じ角度の光線がユーザの瞳400に届く必要がある。

【0053】

出射円303は，出射回折格子102上にあって，視認される光線の方向にユーザの瞳400を平行移動した仮想的な円である。出射回折格子102上の出射円303から出射した光線304のみがユーザに投影像として認識され，それ以外の光線は認識されない。このように，出射回折格子102にはｘ方向の回折作用が必要である。

【0054】

図７は後述するシミュレーション方法を用いて計算した導光板100内部を伝播する光線の強度分布である。ここでは，導光板の回折格子を含む面内ｘ－ｙ面で強度分布を示していることに注意されたい。図中，入射回折格子は上側に配置され，その下にユーザの目に相当する瞳が配置される。

【0055】

図７(a)はピクセル位置が，投影される像の中央の場合を示す。図中の出射円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）を示している。図に見られるように，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，投影される光線がｚ軸方向にあることから，ｘ－ｙ面内で出射円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。

【0056】

図７(b)は投影像の右上コーナのピクセル位置の場合である。図に見られるように，主光線群は入射回折格子から右下方向に向って進行する。瞳の位置は一定であるが，出射円は瞳に向って右上に進行する光線群の出射位置であるから，ｘ－ｙ面内で瞳に対して左下にシフトする。この場合，出射円が主光線群から離れた位置にあるため，瞳に至って画像として認識される光線群は上の場合に比較して輝度が低くなる。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主因である。

【0057】

格子ピッチをPとすると回折格子の波数ベクトルの大きさは、K=2π/Pで表される。光軸方向をｚ軸に取る座標系で表すと、入射回折格子101の波数ベクトルはK₁=(0,－K,0)である。出射回折格子102は、なす角が１２０度の２つの波数ベクトルを持ち、それらはK₂=(＋K/√3,K/2,0)、K₃=(－K/√3,K/2,0)である。導光板100に入射する光線の波数ベクトルをkⁱ＝(kⁱ _x,kⁱ _y,kⁱ _z)とし、出射する光線の波数ベクトルをk^o＝(k^o _x,k^o _y,k^o _z)とし、kⁱにK₁、K₂、K₃を順次作用させると、以下のようにk^o＝kⁱとなり、入射光線と同じ波数ベクトルの光線、すなわち同じ映像情報を有する光線が出射されることがわかる。

【0058】

k^o＝kⁱ
k^o _x＝kⁱ _x＋0＋（K/√3）－（K/√3）＝kⁱ _x
k^o _y＝kⁱ _y＋K－（K/2）－（K/2）＝kⁱ _ｙ
k^o _z＝kⁱ _z

【0059】

次に，実施例の画像表示素子の解析のためのシミュレーション方法について簡単に述べる。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[16-18]。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 systems 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。

【0060】

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（約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り，市販シミュレータでは演算量が膨大になる。ここでは，視認される光線が全光線の一部であることに鑑みて，予め視認されない領域に導波する光線の計算を停止するアルゴリズムにより，演算量を1/1000以下に削減したアルゴリズムを用いる。回折格子による回折効率の角度および波長依存性は，予めＦＤＴＤ法による計算結果をテーブル化して参照する方式としている。

【実施例1】

【0061】

図８は、実施例の画像表示素子の構成を示している。ここでは画像表示素子10は筐体800で保持される２枚の導光板100a，100bから構成されており，それぞれ入射回折格子101a，101b，出射回折格子102a，102bが形成される。入射回折格子101a，101bは，直線状の表面凹凸型の回折格子である。出射回折格子102a，102bは，それぞれパターン周期が入射回折格子101a，101bと同じである。出射回折格子102a，102bの表面には，それぞれコーティング層103a，103bが形成される。導光板100a，100bはそれぞれ異なるパターン周期Ｐ１，Ｐ２をもち，対応する波長範囲が異なる。

【0062】

本実施例において，出射回折格子102a,102bは入射回折格子101a,101bと同じ面に形成されるが，反対側の面に形成することも可能である。

【0063】

こうした構成によって，プロジェクタ300から出射した映像構成はユーザの瞳400により視認が可能である。プロジェクタ300は画像表示素子10に対してユーザの瞳400と反対側に配置される。

【0064】

図９は１枚の導光板100に形成された入射回折格子101と出射回折格子102の波数ベクトルの関係の一例を示している。前述のように，導光板が画像表示素子として機能するためには，図において波数K₁,K₂,K₃の大きさが等しく，K₁+K₂+K₃=0となる関係を満たすようにすればよい。

【0065】

まず，出射回折格子について述べる。同じアスペクト比0.8の場合のフォトニック結晶とメッシュ型回折格子の投影像の比較をした。

【0066】

図１０(a)は「特許文献１」に記載のピラー型フォトニック結晶とその投影像のシミュレーション結果である。図１０(b)は実施例のメッシュ型回折格子の結果である。図に見られるように，アスペクト比１以下の場合，ピラー型フォトニック結晶では，投影像の中央部の輝度が高く視認性が悪いことがわかる。それに比較して，本実施例のメッシュ型回折格子は低アスペクト比のパターンで良好な投影像を得ることができる。

【0067】

次に，入射回折格子について述べる。
図１１(a)は透過型の回折格子のシミュレーション結果である。透過型回折格子は，入射した光が透過回折して，導光板（基板）内部を伝搬する。入射回折格子の位置は，導光板の光源に近い面に形成される。

【0068】

映像光線1000は左から入射する構成であり，図の右半分が基板（Sub）を表している。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。射出成型等の一般のプラスチック成型法では，アスペクト比が１を超えると転写性の悪化等の問題が生じて，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，プラスチック基板と射出形成を採用した入射回折格子としては適していないことが判る。

【0069】

図１１(b)は反射型の回折格子のシミュレーション結果である。反射型の回折格子では、入射した光が反射回折して，すなわち，光源側に反射して導光板（基板）の内部を伝播する。入射回折格子の位置は，導光板の光源から遠い面に形成される。

【0070】

映像光線は同様に左から入射する構成であり，図の左半分が基板（Sub）を表している。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。プラスチック形成には，実施例の導光板に好適な入射回折格子は反射型の入射回折格子であると言える。

【0071】

図１２Ａおよび図１２Ｂは、２枚の導光板の相対傾きの影響を示す摸式図である。プラスチック製の導光板では，ガラス製に比べると変形の可能性がある。図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて，画像表示素子10はそれぞれ対応波長が異なる導光板100aと100bで構成される。また，300は映像投影用のプロジェクタ，400はユーザの瞳，500は投影される映像光線を表している。

【0072】

この例では、図１１の知見に基づいて、入射回折格子は反射型の回折格子を採用した。そのため、入射回折格子101は，導光板100のプロジェクタ300から遠い面（図中では右面）に形成される。出射回折格子102は，プロセスの都合上，入射回折格子101とおなじ面に形成する方が精度を高くできるので，同じくプロジェクタ300から遠い面に形成される。

【0073】

図１２Ａはプロジェクタ300とユーザの瞳400が導光板100に対して同じ側に配置される場合である。図に示すように，導光板100は最終的に映像光線500を反射してユーザに届ける。このため，導光板100aに比較して導光板100bが傾いていると、投影される光線の波長によって，視認される画素位置がシフトして，画質が低下する。視力１．０のユーザの光線角度の分解能力は１／６０度であるから，これを基準とすると２枚の導光板の相対傾きは１／６０度よりも十分に小さくする必要があり，従来のガラス製に比較して機械強度（ヤング率）の小さなプラスチック導光板ではヘッドマウントディスプレイとしての実装が難しい。この場合，出射回折格子の反射回折効率が高いほど，輝度の高い映像情報をユーザに提供することができる。

【0074】

図１２Ｂはプロジェクタ300とユーザの瞳400が導光板100に対して反対側に配置される場合である。図に示すように，導光板100は最終的に映像光線500を透過してユーザに届ける。入射光と出射光の角度は基本的に同じため，導光板100aと100bの相対傾きがあっても原理的に波長による投影像のシフトは発生しない。したがって，本実施例のプラスチック製導光板をヘッドマウントディスプレイに実装する場合には，プロジェクタ光源を導光板に対してユーザと反対側（透過型の光学構成）にすることが望ましい。

【0075】

実際には，導光板内部を全反射導光する光線角度条件が影響を受けるため，導光板100aと100bの相対傾きは３度程度以下に抑えることが望ましいことを付記しておく。この場合，出射回折格子の透過回折効率が高いほど，輝度の高い映像情報をユーザに提供することができる。

【0076】

導光板を伝搬中の光が出射回折格子で回折して，導光板から出射する際の回折効率をＦＤＴＤ法で計算した。波長５５０ｎｍ，導光板の屈折率１.５８，回折格子のパターン周期４６０ｎｍ，凸部の幅１５０ｎｍ，凸部の高さ７０ｎｍとして，投影像の中央画素に相当する光が入射回折でカップリングして導光板内部を全反射伝搬している条件において，反射回折効率が３．５％，透過回折効率が２．８％となった。凹凸パターンのアスペクト比は０.４７である。図１２Ｂと同様に出射回折格子が，入射回折格子と同じ面に形成されている場合，ユーザに視認される光線は出射回折格子で透過回折したものである。したがって，図１２Ｂに示した透過型の光学構成では，図１２Ａの反射型の光学構成に比較して，ユーザに視認される投影像の輝度が低下してしまう。輝度低下の問題については，前述のコーティング層103やメッシュ型回折格子の採用で改善が可能である。

【0077】

図１３はプラスチック成型技術で，図８に示した導光板の両面に回折格子を一体成型する方法の摸式図である。ナノインプリント法やエッチング等の従来用いられている導光板の作成は半導体加工技術に基づく，表面加工技術である。一方，射出成型法等のプラスチック成型技術は，金型の内部に樹脂を導入して固めることによる立体成型技術であるため，導光板の両面に回折格子を形成することが容易である。図中，形成すべき回折格子の表面形状を凹凸反転した形で表面にもつスタンパ700，および701をそれぞれ金型の固定部710と可動部720に固定する。このような金型を用いて，樹脂流路730から溶融した樹脂740を注入するとともに，金型の可動部720を図中の右方向に移動させることにより，圧力を印加することで，樹脂740をキャビティ750の形状に沿った形状にするとともに，冷却過程を経て所望の導光板を作成することが可能である。本方法は一般的なものであって，スタンパを２つ用いることにより，両面に回折格子が凹凸形状として形成された導光板をプラスチックで作成することができる。

【0078】

図１４Ａおよび図１４Ｂは前述の方法で作成したNiスタンパを用いて，同じ樹脂材料を用いて射出成型で作成した導光板の出射回折格子のＡＦＭ（Atomic Force Microscope）観察結果である。両者はプロセス条件のみが異なる。図にみられるように，図１４Ｂの方が転写性が良好であることがわかる。これらの導光板の画像投影試験を実施した結果，投影像の中央部と周辺部の輝度の比は，図１４Ａの場合2.3，図１４Ｂの場合が1.03であった。従って，プロセス条件等の変化により，導光板の投影像の品質が変化することがわかる。この結果から，プロセス条件のバラツキが避けられないとすると，ロットにより投影像の中央部と周辺部の輝度の比のバラツキが避けられないことがわかる。

【0079】

図１５はロットバラツキ等による導光板の投影像の品質変動を抑圧するための，回折格子パターンである。図に示すように，実施例の導光板の回折格子は，入射回折格子101と出射回折格子102から構成される。入射回折格子101は，ｘ方向に直線状の格子からなりパターンの周期（ピッチ）はＰである。入射回折格子101は３ステップ型で構成している。

【0080】

出射回折格子102は、図３に示したごとくパターン周期が入射回折格子101と同じＰの直線状格子が交差してメッシュを構成した、メッシュ領域1510を備えている。出射回折格子102の各格子とｘ軸のなす角（鋭角）は例えば６０度であるが、導光板のサイズや大きさにより調整してもよい。以下の実施例では、６０度で説明する。パターンの周期Ｐは例えば０.３～０.６μｍであるが、光源の波長や用途に応じて変更してもよい。

【0081】

図１５の実施例の特徴は，出射回折格子102の上部（入射回折格子101に近い側）にメッシュ型回折格子を形成するラインをそれぞれ延長してライン領域1520を形成し，ライン領域1520では図中の右側と左側は，各ラインが交差しないようにしたものである。

【0082】

ライン領域1520を形成する各ライン1501は，ｘ－ｙ平面（導光板の主面）上で出射回折格子102と入射回折格子101を結ぶ線1502に対して略左右対称である。各ライン1501あるいはその延長線は，ｘ－ｙ平面上で入射回折格子101を上としたとき，線1502を中心に略Ｖ字型となる。線1502は，一般には出射回折格子102と入射回折格子101をそれぞれ二等分割する中心線である。

【0083】

このようにすることによって，入射回折格子101で回折された映像光がライン領域1520にあたると，図中の左右いずれかに回折することができる。これは，投影像の周辺の輝度を向上する効果があるため，パターンアスペクト比の低減を図ることが可能となる。前述の波数の関係から，ライン領域1520からユーザの目の方法に映像光が出射することはない。このため、ライン領域1520は視野周辺の輝度を向上し，視野中央の輝度を低下する働きをもつ。

【0084】

図１６Ａ，図１６Ｂ，図１６Ｃはロットバラツキ等による導光板の投影像の品質変動を抑圧するための，回折格子パターンと入射回折格子101に施す反射コーティングの関係を示す摸式図である。反射コーティング1600としては，誘電体多層膜を用いることができる。
図１６Ａは標準の状態に対応し，反射コーティング1600は入射回折格子101の上に形成する。

【0085】

図１６Ｂはロットバラツキの影響で投影像の中央部と周辺部の輝度の比が１よりも大きくなった場合の対処法を示している。この場合，反射コーティング1600を形成するマスクのサイズを調整して，ライン領域1520の一部のも反射コーティング1600を形成する。反射コーティング1600がほどこされたライン領域1520の回折効率が向上することから，視野周辺の輝度を向上し，視野中央の輝度を低下される作用が大きくなり，投影像の品質を改善することができる。

【0086】

図１６Ｃはロットバラツキの影響で投影像の中央部と周辺部の輝度の比が，さらに大きくなった場合の対処法を示している。同様にマスクスパッタリング法等に用いるマスクのサイズを調整して，ライン領域1520の大部分に反射コーティング1600を形成する。これにより，視野周辺の輝度を向上し，視野中央の輝度を低下される作用がさらに大きくなり，投影像の品質を改善することができる。

【0087】

上記の実施例によれば，回折格子の形成後にロットごとの輝度バラツキを，反射コーティング1600の形成領域を調整することで抑制することができる。

【0088】

以上のように，射出成型法などにより形成した実施例の導光板の回折格子パターンのアスペクト比の低減と，ロットばらつき等による投影像の品質変化の抑制が可能となった。

【実施例2】

【0089】

図１７は実施例の導光板内部の映像光線の経路を摸式的にしめした平面図および側面図である。入射した映像光線1710は入射回折格子101で回折され，導光板100内部を全反射導光しながら伝搬し，出射回折格子102のライン領域1520を通過し，出射回折格子のメッシュ領域1510で出射し，出射映像光1720として，図示しないユーザに視認される。

【0090】

実施例が有効に機能するには，少なくとも映像光線1710の一部は伝搬中にライン領域1520に到達する必要がある。

【0091】

ライン領域の長さをＬ，映像光線と回折格子が交差する点187の間隔（以下，伝搬ピッチ）をＴＰとすると，Ｌが大きいほど映像光線とライン領域の交差回数が増加し，実施例の効果が大きくなる。Ｌが満たす最小値の基準として映像光線の１／２の光量がライン領域1520と交差する場合として定義すると，以下の関係となる。
Ｌ＞ＴＰ／２
ここで，この関係を補足説明する。伝搬ピッチＴＰは映像光線の波長λ，回折格子のピッチp，導光板の厚さｔ，屈折率ｎ，入射角θyで定まり，垂直入射の場合は以下で表される。
TP = 2t(2π/p + 2ｎπsinθ/λ)/{(2ｎπ/λ)² - (2π/p + 2ｎπsinθ/λ)² }^0.5
入射回折格子101の大きさＤが伝搬ピッチＴＰに比較して大きい場合は，入射回折格子101内で多数回の回折が発生して出射回折格子102から出射し，光量損失につながるため，入射回折格子101の大きさＤは伝搬ピッチＴＰと同程度の大きさ（１～１０ｍｍ程度）にすることが好ましい。同様に，映像光線1710のビームサイズは，入射回折格子101の大きさＤと同程度が好ましい。このとき，入射光の位置の広がりは中心に対して±Ｄ／２≒±Ｌ／２と考えることができる。従って，入射回折格子で回折された映像光線は，伝搬ピッチＴＰで伝搬しながら位置の広がり±Ｌ／２を有することになり，１／２の光量がライン領域1520と交差する条件から，上式を得る。

【0092】

図１８に，入射光の波長を460nm，入射回折格子のパターンピッチを360nm，導光板の屈折率を1.58，導光板の厚さtを1mmとした場合の伝搬ピッチＴＰの計算結果を示す。図中，横軸は映像ピクセルのY方向位置を表しており，対角視野角40度，Y方向ピクセル720とした場合の結果である。伝搬ピッチＴＰの目安は垂直入射（ピクセル位置360）のとき約2.7mmとなり，ピクセル位置により，約2 mmから5 mmの範囲となる。上の関係から，ライン領域の長さLは1 mm以上であれば，実施例が好ましく機能することがわかる。

【0093】

伝搬ピッチＴＰは導光板の厚さtに比例し，伝搬ピッチの最小値2mm は導光板の厚さｔの２倍であるから，上の関係を一般的にすると，
Ｌ＞ｔ
となる。

【0094】

また，ライン領域の長さＬが大きくなると，導光板が大型化し，重量増によりユーザにデメリットとなるので，重量を考慮した場合には、ライン領域の長さＬの上限の目安は，メッシュ領域の長さＬＭ以下とすることが好ましい。

【実施例3】

【0095】

実施例の出射回折格子のライン領域1520の形成に好適なパターン形成方法を示す。
図１９Ａは実施例の導光板の摸式図であり，ライン領域1520の中央部1900について述べる。

【0096】

図１９Ｂは中央部1900の拡大図で理想的な場合の摸式図である。中心線1502に対して左右対称なパターンが形成されていることを示している。電子線描画法などで，パターンを形成する場合には，領域を分割して複数回の描画を実施するため，２つのラインパターンの位相がずれて形成される場合がある。

【0097】

図１９Ｃに２つのラインパターンの位相がずれて形成された場合を摸式的に示す。この場合，２つのラインパターンの中央に到達した映像光線は，位相の異なる２つのラインパターンの複合した高次の回折を受け，所定の回折角の方向に回折できなくなってしまう。

【0098】

図１９Ｄはこれを解決するため，２つラインパターンの境界部に長さδの間隙を設けた場合である。δの値は映像光線の波長400-700nmより10倍以上大きく，１０μｍ程度以上であれば，１つの光子が両者の領域にまたがって複合回折をすることを防ぐことができる。また，映像光線のビーム径を5mm程度と仮定すると，間隙の幅がビーム径の10%程度，すなわち500μｍ以下であれば，間隙を抜けて回折しなくなる光量を十分にすくなくすることができる。従って，間隙を設けてパターンを形成する場合の間隙の大きさは，10～500μｍの範囲にするとよい。

【0099】

ここでは，ライン領域1520に設ける間隙について述べたが，同様な間隙をライン領域1520とメッシュ領域1510の間に設けることもできる。

【実施例4】

【0100】

図２０は実施例の回折格子の回折方向を説明する摸式図である。図６で説明したように，映像光線は入射回折格子101で回折された後，出射円303に到達しなければ視認されることはない。１つの映像光線が，出射回折格子102のメッシュ領域1510の回折点211で回折する場合，前述のように，メッシュ領域が２つの波数をもつため，出射円の方向と，その反対の方向に回折する２つの場合が存在する。

【0101】

一方，映像光線がライン領域1520の回折点210で回折する場合，ライン領域が１つの波数だけをもつため，出射円303の方向にのみ回折し，その反対の方向への回折は発生しない。従って，ライン領域を設けることにより，出射円と反対方向に回折してユーザに視認されない光量を削減して，ユーザに明るい投影像を提供できることがわかる。

【実施例5】

【0102】

上記の実施例では、メッシュ状の出射回折格子102はｘ軸に対して±６０度の矩形回折格子を重ね合わせたものなので、出射回折格子102のピッチと入射回折格子101の交差角度は１２０度であった。出射回折格子の交差角度が１２０度以上になった場合について検討した。出射回折格子のピッチと入射回折格子のピッチの交差角を１３２度にした場合、入射光線に対すると出射光線の角度シフト量が波長に依存するので，カラー画像を投影すると，色ずれした投影像となってしまう。単一波長のレーザ光源を使う場合，これを補正することが可能だが，光源にＬＥＤ（Light Emitting Diode）を使うと，色ずれを補正することが難しくなる。よって、出射回折格子と入射回折格子の交差角度が１３０度以下、好ましくは１２０度以下になるようにするのがよい。

【実施例6】

【0103】

図２１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300から出射した画像情報をもつ光は，導光板100a，100bの作用によりユーザの瞳400に届けられ，拡張現実を実現する。各導光板100a，100bでは，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。

【0104】

また、導光板100毎の製造バラツキに起因する輝度バラツキを抑制すべく、図１６Ａ～図１６Ｃで説明した反射コーティングの領域を導光板ごとに最適化することができる。この場合、入射回折格子の上、およびライン領域の少なくとも一部に反射コーティングが施されており、反射コーティングのカバーする領域が導光板ごとに同じではない場合がある。

【0105】

図中，本実施例の画像表示装置は導光板100，プロジェクタ300，および表示画像制御部2100からなる。また，画像形成の方法としては，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（Micro Electro Mechanical Systems）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。

【0106】

また，ＬＥＤやレーザ光源と光ファイバの先端をＭＥＭＳ技術やＰＺＴ(PieZoelectric Transducer)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。

【0107】

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。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。

【0108】

本実施例の画像表示装置では，プロジェクタ300から出射した映像情報を含む光線が，導光板100の各入射回折格子101に照射されるように，位置決めして，導光板100と一体化されて形成される。

【0109】

また，図示しない表示画像制御部は，プロジェクタ300の動作を制御して，ユーザの瞳400に適宜，画像情報を提供する機能を果たす。

【0110】

以上説明した実施例では、表面凹凸型の回折格子を有する導光板（画像表示素子）において，少なくとも出射回折格子としてメッシュ型の回折格子を用い，射出成型法等により導波路と同じ屈折率の材料で一体成型することにより，導光板のプラスチック化を実現し，安全で軽量な導光板を実現することができる。すなわち、メッシュ型回折格子を用いることにより，アスペクト比１以下の表面凹凸で良好な性能を有する導光板を射出成型法で作成可能となり，導光板のプラスチック化による安全性の向上と軽量化を実現することができた。

【0111】

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。

【符号の説明】

【0112】

100：導光板
101：入射回折格子
102：出射回折格子
1510：メッシュ領域
1520：ライン領域

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図17】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図19C】

【図19D】

【図20】

【図21】