JP2007264555A - 透過型回折素子及びこれを用いた眼球投影型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】眼球投影型表示装置等に用いられる透光性回折素子は表面が矩形状の形状を有し、矩形の上辺部に対する底辺部の深さを数ｎｍオーダーの精度で作成する必要があり、製造が容易ではなかった。
【解決手段】透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成された透過型回折素子において、前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有する台形形状とすることにより、格子の深さの許容誤差を大きくすることができるので、製造容易な回折素子を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、透過型回折格子に関し、特に眼球投影型表示装置等において射出瞳の径を拡大させるために用いられる透過型回折素子に関する。

近年、バーチャル空間や大画面を楽しむことができるヘッドアップディスプレイが開発されている。この種の表示装置は、小型液晶表示素子をゴーグルに組み込んで頭部に装着し、液晶表示素子に映し出される映像を凸レンズにより集光し網膜に結像させる（例えば特許文献１参照）。また、車のダッシュボードからフロントガラスに画像を投影しフロントガラスから反射される反射光を網膜に結像させる方式の表示装置も開発されている。

図１５（ａ）は、液晶ディスプレイを組み込んだゴーグルを頭部に装着して網膜に画像を結像させる眼球投影型表示装置を説明するための概略図である。照明系１０１により液晶表示素子１００を背後から照射して、液晶表示素子１００に表示された映像を凸レンズ１０２により集光し、使用者の眼球１０３の網膜１０４上に結像させる。しかし凸レンズ１０２の収差を抑えるために開口数を小さくしており、そのために液晶表示素子１００と凸レンズ１０２からなる光学系の射出瞳１２０の径は小さい。図１５（ａ）のように射出瞳１２０と瞳孔１０６が一致する場合は、液晶表示素子１００の点Ｐ１と点Ｐ２の画像は瞳孔１０６を通過して網膜１０４上の点Ｐ１’、Ｐ２’として結像する。この場合は周辺の画像まで観察することができる。しかし図１５（ｂ）に示すように、使用者が眼球を回転させると射出瞳１２０と瞳孔１０６との間の位置がずれる。そのために周辺部の画像に蹴られが生じて極端な場合は画像の認識が困難になる。

この眼球を回転させたときの画像の蹴られを防止するために、入射光に対して出射光を分割する回折格子が用いられている。図１６（ａ）は、２枚の回折格子を用いて入射光を分割して出射している状態を示す。左側から入射した光は第１回折格子１０７により回折され、第２回折格子１０８により再び回折させて平行光としている。これを凸レンズ１０２と眼球１０３との間に配置して射出瞳１２０の径を拡大させるようにしている。図１６（ｂ）に示すように眼球１０３を回転しても液晶表示素子１００の中心部の点Ｐ１及び周辺部の点Ｐ２の映像は網膜１０４の点Ｐ１’及び点Ｐ２’に結像するが、射出瞳１２０の拡大により点Ｐ２’に到達する光量が増加する。これにより画像の欠けを防止することができる。図１６（ｃ）は、この種の表示装置に使用される回折素子１１０の断面図である。回折素子１１０は透光性基板１１１の表面に矩形状の凹凸部１１２の回折格子が形成されている。
特開平７−７２４２２号公報 特開平８−１８４７７９号公報

しかしながら、この種の回折格子は極めて高精度に作成する必要がある。眼球投影型表示装置の分割素子として用いられる回折格子は、各回折光の光強度バランス、及び、色バランスを満たすように設計する必要がある。即ち、回折角が０°の０次回折光と回折角を有する±１次回折光との間の光強度バランスは適切に設定する必要がある。また、回折格子により回折された光の光強度は波長依存性を有する。例えば、±１次の回折光を分割光として利用して射出瞳の拡大を図る場合に、赤、緑、青の各波長において特定の色の光強度が強く、他の色の光強度が弱い場合には、網膜上に投影される点Ｐ２’の周辺部の映像は色バランスが崩れることになる。その結果観察者は自然な映像を見ることができなくなる。従って、０次回折光と±１次回折光との間の光強度バランスを保持するとともに色バランスも保持することが必要であるが、上記図１６（ｃ）のような矩形状の回折素子を用いた場合にはその矩形形状を格子ピッチ方向では数１０ｎｍ、格子深さ方向では数ｎｍという極めて高精度に製造しなければならない、という課題があった。

本発明は、上記課題を解決するために以下の対策を講じた。

請求項１の発明である透過型回折素子においては、透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成された透過型回折素子において、前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有することを特徴とする透過型回折素子とした。

請求項２の透過型回折素子は、請求項１の構成に加え、前記凹凸部が、前記表面において互いに直交する２方向に周期的に形成されている透過型回折素子とした。

請求項３の透過型回折素子は、請求項１又は２の構成に加え、前記凹凸部が、前記透光性基材において、入射光が前記透光性基材より出射する出射側表面に形成されている透過型回折素子とした。

請求項４の透過型回折素子は、請求項１〜３のいずれか１の構成に加え、前記透光性基材がシリコン酸化物の場合又は前記透光性基材の屈折率が略１．４５の場合には前記傾斜角は１７°〜５５°の範囲である透過型回折素子とした。

請求項５の透過型回折素子は、請求項１〜３のいずれか１の構成に加え、前記透光性基材がアクリル樹脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が略１．４９の場合には前記傾斜角は１０°〜７５°の範囲である透過型回折素子とした。

請求項６の透過型回折素子は、請求項１〜３のいずれか１の構成に加え、前記透光性基材がシクロオレフィン樹脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が略１．５３の場合には前記傾斜角は２°〜５５°の範囲である透過型回折素子とした。

請求項７の透過型回折素子は、請求項１〜６のいずれか１の構成に加え、前記凹凸部の１周期のピッチをＰ、前記底辺部の長さをＬ、前記上辺部に対する前記底辺部の深さをＤとした場合に、前記深さＤは４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲であり、デューティ比ＤＲをＬ／Ｐとした場合に前記デューティ比ＤＲは０．２〜０．３又は０．７〜０．８の範囲である透過型回折素子とした。

請求項８の透過型回折素子は、請求項７の構成に加え、前記深さＤは５００ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲である透過型回折素子とした。

請求項９の発明である眼球投影型表示装置においては、映像を投影する映像投影手段と、前記映像を使用者の眼球に導入する光学手段と、前記光学手段により形成される射出瞳を拡大させるための回折手段とを備えた眼球投影型表示装置であって、前記回折手段は、透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成され、前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有する透過型回折素子である。

請求項１の透過型回折素子によれば、周期的な凹凸部の上辺部と底辺部との間の側辺部を表面に垂直方向に対して傾斜する所定の傾斜角を有する台形形状としたことにより、回折素子の基材を型に流し込んで冷却し又は反応した後に離型する際に、この離型を容易にし、また、製造上の許容誤差が大きいので製造が容易になる、という利点を有する。

請求項２の透過型回折素子によれば、請求項１の効果に加え、透光性基材の表面の互いに直行する２方向に周期的に凹凸部を有するので、１回折素子により直交する２方向の回折光を得ることができる、という利点を有する。

請求項３の透過型回折素子によれば、請求項１又は請求項２の効果に加え、透光性基材の出射側表面に回折格子を設けるようにしているので、回折光が透光性基材の材料に影響を受けず、光学設計が容易になる、という利点を有する。

請求項４の透過型回折素子によれば、請求項１〜３のいずれか１項の効果に加え、透光性基材としてシリコン酸化物又は透光性基材の屈折率を略１．４５の材料を使用する場合に、側辺部の傾斜角を１７°〜５５°の範囲としたので、回折素子を製造する上での許容誤差が大きくなり、製造が容易になる、という利点を有する。

請求項５の透過型回折素子によれば、請求項１〜３のいずれか１項の効果に加え、透光性基材としてアクリル樹脂又は透光性基材の屈折率を略１．４９の材料を使用する場合に、側辺部の傾斜角を１０°〜７５°の範囲としたので、回折素子を製造する上での許容誤差が大きくなり、製造が容易になる、という利点を有する。

請求項６の透過型回折素子によれば、請求項１〜３のいずれか１項の効果に加え、透光性基材としてシクロオレフィン樹脂又は透光性基材の屈折率を略１．５３の材料を使用する場合に、側辺部の傾斜角を２°〜５５°の範囲としたので、回折素子を製造する上での許容誤差が大きくなり、製造が容易になる、という利点を有する。

請求項７の透過型回折素子によれば、請求項１〜６のいずれか１項の効果に加え、凹凸部の深さを４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲、デューティ比ＤＲ０．２〜０．３又は０．７〜０．８の範囲としたので、０次回折光と±１次回折光との間の光強度及び色のバランスのとれた回折光を得ることができる、という利点を有する。

請求項８の透過型回折素子によれば、請求項７の効果に加え、凹凸部の深さを５００ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲としたので、０次回折光と±１次回折光との間の光強度及び色のバランスがよりとれた回折光を得ることができる、という利点を有する。

請求項９の眼球投影型表示装置によれば、映像投影手段と、当該映像投影手段から投影された映像を眼球に導入する光学手段と、当該光学手段により形成される射出瞳を拡大させる回折手段とを有する眼球投影型表示装置において、当該回折手段として透光性基材の表面に周期的な凹凸部を形成し、上辺部と底辺部との間の側辺部は垂線に対して所定の傾斜角を有するようにしたので、製造が容易であり、かつ、眼球を回転させても色バランスのとれた映像を視認することができる、という利点を有する。

以下、図面を用いて本発明に係る実施の態様を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の態様を示す回折素子１の斜視図である。透光性基材２の表面のｘ方向に凸部３と凹部４が周期的に形成されている。凸部３の上辺部と凹部４の底辺部との間には側辺部５が形成され、垂直方向に対して傾斜する傾斜角を有する。即ち、凸部はその断面が台形形状を有する。回折素子１の透光性基材２の材料は、透光性ガラスや透光性樹脂を使用することができる。例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィン樹脂（ＣＯＰ）等を用いることができる。

なお、この種の回折素子１は、切削加工やリソグラフィー加工により予め格子を形成した金型等からなる型に透光性基材を流し込み、冷却し又は反応させて当該型に形成された格子を透光性基材に転写する方法で製造される。周期的に形成された凹凸部は、上辺部６と底辺部７との間の側辺部５が傾斜する台形形状であるために、型から透光性基材を切り離す離型が容易となる。

図２は、回折素子１の入射光に対する光の回折を説明するための説明図である。同一の部分又は機能を有する部分には同一の符号を付した。ｚ方向に入射した光線はブラックの回折条件に従って０次回折光、回折角±φを有する±１次回折光（以下総称して１次回折光という）、更に高次回折光に分離される。なお、本実施の形態においては０次回折光と１次回折光について扱い、高次回折光については無視している。眼球投影型表示装置においてはこの１次回折光を用いて射出瞳径の拡大を図る。なお、図１に示した回折素子１はｘ方向に格子が周期的に形成されている。従って、１次回折光はｘ方向に広がる。

図３は、本発明の他の実施の態様を示す回折素子１の斜視図である。なお、同一の部分又は機能を有する部分には同一の符号を付した。図３において、透光性基材２の表面にはｘ方向とｙ方向に凸部３と凹部４が周期的に形成されている。そのため、透光性基材２を透過する光はｘ方向とｙ方向の直交する２方向に回折される。眼球投影型表示装置に適用する場合は、射出瞳径は左右と上下の方向に拡大される。なお、図３は直交する２方向に凹凸部を形成した例であるが、台形状の凸部３を６角形に形成し、角度が６０づつ異なる３方向に凹凸部を形成しても良いし、台形状の凸部３を同心円状に形成してもよい。

図４は、図１に示した回折素子１のＸ方向について、１周期の凹凸部形状を表している。同一の部分又は機能を有する部分には同一の符号を付した。ここで、一周期のピッチをＰ、凹部４の底辺部７の長さをＬ、上辺部６に対する底辺部７の深さをＤ、垂線に対する側辺部５の傾斜角をθとする。これらの４つのパラメータにより回折格子の形状が特定される。また、デューティ比ＤＲ＝Ｌ／Ｐと定義する。

図５は、デューティ比ＤＲを０．９０としたときの、回折素子１の格子の深さＤと回折効率の関係を示すグラフである。縦軸が回折効率で横軸が格子の深さＤを表す。ここで、回折効率とは、入射光のエネルギーに対する出射光のエネルギーの割合をいう。また、深さＤが０であるとは、透光性基材２の表面に回折格子が形成されていないことを意味する。図５から、深さＤを０から１０００ｎｍに変化させたときに、０次回折光は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれの光に対しても回折効率は６０％以上を有するが、１次回折光は波長依存性が少なく回折効率は約５％以下である。従って、デューティ比ＤＲが０．９０では１次回折光の回折効率が低く、この回折素子１では射出瞳径を拡大させることはできない。

図６は、デューティ比ＤＲを０．７５としたときの、回折素子１の格子の深さＤと回折効率の関係を示すグラフである。０次回折光の回折効率は、格子の深さＤが１００ｎｍから４００ｎｍにかけて低下し、４００ｎｍ〜６００ｎｍにおいて最も低下し、６００ｎｍ〜１０００ｎｍにかけて漸次増加する。１次回折光の回折効率は、０次回折光とは反対に格子の深さＤが０ｎｍ〜４００ｎｍにかけて漸次増加し、４００ｎｍ〜６００ｎｍで最大となり、６００ｎｍ〜１０００ｎｍにかけて漸次低下する。また、特に深さＤが６００ｎｍ以上の領域においては０次回折光及び１次回折光ともに光の色に対する回折効率のバラツキが大きくなる。また、深さＤが概ね４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲では０次回折光と１次回折光との間の回折効率がほぼ等しくなる。また深さＤが４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲では各色に対する回折効率のばらつきが小さい。よって、デューティ比ＤＲを略０．７５とし、格子の深さＤを４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に、より好ましくは４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に設定することにより、各色に対する回折効率をほぼ同程度とすることができる。更に、０次回折光と１次回折光との回折効率、即ち回折光の光強度を同程度とすることができる。０次回折光と１次回折光との間の光強度を同程度とすることにより、光強度むらの少ない眼球投影型表示装置の設計が容易となる。なお、デューティ比ＤＲは、好ましくは略０．７３に設定するのが良い。

図７は、デューティ比ＤＲを０．５としたときの、回折素子１の格子の深さと回折効率の関係を示すグラフである。０次回折光の回折効率は格子の深さＤが４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲では１０％以下となる。反対に、１次回折光の回折効率は深さＤが４００ｎｍ〜６００ｎｍにおいて最大値を示し約４０％となる。従って、格子の深さＤが４００ｎｍ〜６００ｎｍ付近では１次回折光が支配的となる。この回折素子１を眼球投影型表示装置に適用すると、直視したときに中心部の映像が暗く、周辺部の映像が明るくなり、均一な明度の画像を得るように設計するのが難しくなる。

図８は、デューティ比ＤＲを０．２５としたときの、回折素子１の格子の深さと回折効率の関係を示すグラフである。この場合は、デューティ比ＤＲが０．７５と同様の特性を示す。デューティ比ＤＲが０．２５の場合は、凹凸部の底辺部の長さと上辺部の長さとを逆転させた場合に相当する。

以上まとめると、回折素子１として、０次回折光と１次回折光の光強度をほぼ同程度とし、かつ、各色の回折効率の差を小さくするためには、デューティ比ＤＲを０．２〜０．３、及び、０．７〜０．８の範囲とし、かつ、格子の深さＤを概ね４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲、より好ましくは４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲とするのがよい。また、デューティ比ＤＲは略０．７３、あるいは凹凸部の辺の長さが逆転する略０．２７とするのが良い。

次に、格子の深さＤの許容誤差について説明する。透光性基材２を用いた透過型回折格子は、底辺部７を通過する透過光と上辺部６を通過する透過光との間の光学的な光路差に基づく光の干渉を利用している。そのために、格子の深さＤを高精度で形成する必要がある。そこで、屈折率の異なる透光性基材２の材料について、格子の深さＤを形成する上で許容可能な誤差を表す許容誤差を、傾斜角θを変化させて求めた。この許容誤差が大きければ大きいほど、回折素子１の作成は容易となる。

回折素子１の０次回折光及び１次回折光は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色について色バランスを保持する必要がある。眼球投影型表示装置に回折素子１を適用する場合に回折素子１の色バランスが崩れると、認識される映像が不自然になる。そこでＧ光の０次回折光と１次回折光の比を基準としてＲ光やＢ光の偏差を規定し、色バランスが崩れない傾斜角θの範囲を求める。

入射光の各色に対する０次回折光及び１次回折光の出射光強度を次のように定義する。
Ｒ０：Ｒ（赤色）光の回折素子１へ入射する入射光強度に対する、Ｒ光の０次回折光強度の比
Ｒ１：Ｒ（赤色）光の回折素子１へ入射する入射光強度に対する、Ｒ光の１次回折光強度の比
Ｇ０：Ｇ（緑色）光の回折素子１へ入射する入射光強度に対する、Ｇ光の０次回折光強度の比
Ｇ１：Ｇ（緑色）光の回折素子１へ入射する入射光強度に対する、Ｇ光の１次回折光強度の比
Ｂ０：Ｂ（青色）光の回折素子１へ入射する入射光強度に対する、Ｂ光の０次回折光強度の比
Ｂ１：Ｂ（青色）光の回折素子１へ入射する入射光強度に対する、Ｂ光の１次回折光強度の比
次に、Ｇ光を基準としてＲ光とＢ光の各色の偏差を次のように定義する。
Ｒ光の偏差：Ｄｅｖ（Ｒ１）＝１−（Ｒ１×Ｇ０）／（Ｒ０×Ｇ１）
Ｂ光の偏差：Ｄｅｖ（Ｂ１）＝１−（Ｂ１×Ｇ０）／（Ｂ０×Ｇ１）
Ｒ光の偏差とは、Ｒの０次回折光に対する１次回折光の光強度比を求めて、この値をＧの０次回折光に対する１次回折光の光強度比により除算した値を１から差し引いた値である。Ｂ光も同様である。即ち、Ｒ光の偏差が０である場合は、Ｇ光の１次回折光と０次回折光との比と、Ｒ光の１次回折光と０次回折光との比が同一であることを意味する。Ｂ光についても同様である。

図９は、底辺部７の長さＬを３μｍとし、格子の深さＤを変化したときのＲ光の偏差（Ｒ１）及びＢ光の偏差（Ｂ１）を示すグラフである。横軸が格子の深さＤを示し、縦軸が上記において定義した偏差を示す。眼球投影型表示装置に回折素子１を適用した場合、偏差が０．２を超えると映像の色バランスが崩れる。そこで、この偏差は０．２以下に抑制する必要がある。図９に示すように、格子の深さＤが大きくなるに従い、青色Ｂの偏差は増大し、逆に赤色Ｒの偏差は減少する。図９から、深さＤが５１５ｎｍ〜５２６ｎｍの範囲においてはいずれの色に対しても偏差０．２を下回っている。つまり、深さＤがこの範囲であれば色バランスが崩れないことを意味する。従って、深さＤの許容誤差は約１１ｎｍである。なお、上記は特定の条件についての一例である。他の条件等を考慮に入れると、深さＤの好ましい範囲は５００ｎｍ〜５７０ｎｍである。また、底辺部７の長さＬは３μｍから１００μｍが好ましい。

図１０は、透光性基材２として二酸化シリコン（屈折率ｎは略１．４５）を用いて、傾斜角θを変化させたときの格子の深さＤの許容誤差を表すグラフである。複数の曲線は、デューティ比を固定し、底辺部の長さＬを１３．０μｍ〜１３．５μｍの間で変化させたときの許容誤差を表している（底辺部の長さＬは、ａが１３．０μｍ、ｂが１３．１μｍ、ｃが１３．２μｍ、ｄが１３．３μｍ、ｅが１３．４μｍ、ｆが１３．５μｍの場合である）。図１０から、二酸化シリコンの場合は深さＤの許容誤差は小さい。その中でも、許容誤差を１０ｎｍ以上にすることが出来る傾斜角θの範囲は、概ね１７°〜５５°である。

図１１は、透光性基材としてアクリル樹脂（屈折率ｎは略１．４９）を用いて、傾斜角θを変化させたときの格子の深さＤの許容誤差を表すグラフである。複数の曲線は上記図１０と同様である。図１１から、許容誤差を２０ｎｍ以上とすることができる傾斜角θの範囲は概ね１０°〜７５°であり、許容誤差を３０ｎｍ以上とすることができる傾斜角θの範囲は概ね１５°〜６５°であり、特定の底辺部の長さＬに対して許容誤差を４０ｎｍ以上とすることができる傾斜角θの範囲は概ね２２°〜５２°である。

図１２は、透光性基材２としてシクロオレフィン樹脂（屈折率ｎはＤ線に対して略１．５３）を用いて、傾斜角θを変化させたときの格子の深さＤの許容誤差を表すグラフである。複数の曲線は図１０と同様である。図１２から明らかに、二酸化シリコンやアクリル樹脂の場合と比べて格子の深さＤの許容誤差の値が大きい。これはシクロオレフィン樹脂の屈折率が二酸化シリコンやアクリル樹脂よりも大きいことによるものと考えられる。許容誤差を３０ｎｍ以上とすることができる傾斜角θの範囲は概ね２°〜５５°であり、許容誤差を４０ｎｍ以上とすることができる傾斜角θの範囲は概ね３°〜５０°であり、特定の底辺部の長さＬに対して許容誤差を５０ｎｍ以上とすることができる傾斜角θの範囲は概ね５°〜３８°である。

以上まとめると、いずれの透光性基材２に対しても共通して、傾斜角θが０°の矩形状格子よりも傾斜角のある台形状格子のほうが深さＤの許容誤差が大きい。従って、矩形状回折素子よりも台形状回折素子の製造のほうが容易となる。また、屈折率が大きいほうが許容誤差は大きくなり、回折素子１の作成が容易になる。また、底辺部７の長さＬを高精度で作成することにより、格子の深さＤの許容誤差を大きくとることができる。例えば、透光性基材２としてシリコン酸化物を用いた場合でも、図１０のグラフｅから、底辺部７の長さＬを１３．４μｍとして、傾斜角θを概ね２５°〜４０°の範囲に設計すれば許容誤差を１５ｎｍ以上とすることができる。

図１３は、本発明に係る透過型回折素子を眼球投影型表示装置に適用した実施の態様を表す説明図である。液晶表示素子１１と、液晶表示素子１１を背面から白色光を照射する照明系１０により映像投影手段を構成している。液晶表示素子１１に表示された映像は、凸レンズ１２及び凸レンズ１３からなる光学手段により眼球１４に導入され、網膜１５に結像する。回折手段である回折素子１を凸レンズ１２と凸レンズ１３の間に配置している。回折手段である回折素子１は、上記したように、透光性基材２の表面に凹凸部が周期的に形成されており、上辺部６と底辺部７との間の側辺部５が傾斜する傾斜角を有する。液晶表示素子１１から投影された映像は、凸レンズ１２を介して回折素子１により０次回折光と１次回折光（±１次回折光)とに分離されて、射出瞳の径を拡大させる。眼球１４を回転した場合でも射出瞳の径が拡大されたことにより、液晶表示素子１１の周辺の点Ｐ２の映像は蹴られを防止して網膜１５に結像させることが出来る。結像された映像は、明るさの均一性が高く、かつ、色バランスが保持されている。

なお、凸レンズ１３に替えて回折素子１を使用することができる。また、回折素子１として、直行する２方向に凹凸部を形成した回折素子１を使用すれば、眼球１４を左右上限に回転させても、蹴られの少ない映像を網膜１５に結像させることが出来る。また、回折素子１を２枚使用する代わりに、透光性基材２の表面と裏面の両面に台形状の凹凸部を周期的に形成した回折素子１を使用することができる。また、照明系１０と液晶表示素子１１からなる映像投影手段に替えて、プラズマディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイからなる映像投影手段を使用することができる。

図１４は、本発明に係る透過型回折素子を眼球投影型表示装置に適用した他の実施の態様を表す説明図である。本眼球投影型表示装置は、光源及び映像信号処理回路を含む光源ユニット４０からなる映像投影手段と、映像を水平方向に走査する水平走査系３１、映像を垂直方向に走査する垂直走査系３２、及び、レンズ系からなる光学手段と、このレンズ系により形成される射出瞳を拡大させるための回折素子１からなる回折手段を備えている。更に、光源ユニット４０からの映像が光ファイバ３９を介して出射される光束の波面曲率を変調するための波面曲率変調器３７を備えている。この眼球投影型表示装置は、映像信号が重畳された光束を上下左右に走査して網膜１５に直接映像を表示させるものである。本実施の形態に係る回折素子１は、上記したように、透光性基材２の表面に凹凸部が周期的に形成されており、上辺部６と底辺部７との間の側辺部５が傾斜する傾斜角を有する。

光源ユニット４０のＲレーザドライバ５１、Ｇレーザドライバ５２、Ｂレーザドライバ５３はそれぞれＲレーザ４８、Ｇレーザ４９、Ｂレーザ５０に輝度信号を出力し、これらのレーザから各色の輝度変調されたレーザ光が出力される。各色のレーザ光はコリメータレンズ４５、４６、４７及びダイクロイックミラー４２、４３、４４を介して光学結合系４１により合成されて光ファイバ３９に出力される。光ファイバ３９から出射された光束は、ビームスプリッタ３３により反射され、更に波面曲率変調器３７により制御される反射ミラー３６により反射され、収束レンズ３５を介してポリゴンミラー３０（ポリゴンミラーの代わりにガルバノミラーであってもよい）へ出射される。光束は、ポリゴンミラー３０により水平走査され、前段レンズ群２９、上記本実施の形態に係る台形形状の凸部を有する回折素子１、後段レンズ群２７を介してガルバノミラー２６（ポリゴンミラーであってもよい）に出射される。ガルバノミラー２６は入射した光束を垂直方向に走査する。垂直走査系２３は前段レンズ群２４、後段レンズ群２５から構成され、垂直及び水平に走査された光束が瞳孔２１を通過して眼球１４の網膜１５で結像する。

従って本実施の形態においては、網膜１５上に光束を水平及び垂直に走査して画像を書き込む。この場合にも、台形形状の凸部を有する回折素子１により、射出瞳径が拡大され、眼球１４を回転させても周辺部分の画像の蹴られを抑制することができる。

以上の説明において、本発明に係る回折素子１を眼球投影型表示装置に適用した実施の形態について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザによるディスクへの書き込み又は読取装置等へ適用することが出来る。

本発明の実施の形態に係る回折素子の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る回折格子の回折を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る回折素子の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る回折素子の表面の凹凸を現す説明図である。 本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対回折効率を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の格子の深さ対偏差を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の傾斜角対格子の深さ許容誤差を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の傾斜角対格子の深さ許容誤差を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る回折素子の傾斜角対格子の深さ許容誤差を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る眼球投影型液晶表示装置を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る眼球投影型液晶表示装置を表すブロック図である。 従来公知の頭部装着式映像表示装置を表す説明図である。 従来公知の頭部装着式映像表示装置及び回折素子を表す説明図である。

符号の説明

１ 回折素子
２ 透光性基材
３ 上辺部
４ 底辺部
５ 側辺部
１０ 照明系
１１ 液晶表示素子
１２、１３ 凸レンズ
１４ 眼球
１５ 網膜

Claims (9)

1. 透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成された透過型回折素子において、
   前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有することを特徴とする透過型回折素子。
2. 前記凹凸部は、前記表面において互いに直交する２方向に周期的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の透過型回折素子。
3. 前記凹凸部は、前記透光性基材において、入射光が前記透光性基材より出射する出射側表面に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の透過型回折素子。
4. 前記透光性基材がシリコン酸化物の場合又は前記透光性基材の屈折率が略１．４５の場合には前記傾斜角は１７°〜５５°の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載した透過型回折素子。
5. 前記透光性基材がアクリル樹脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が略１．４９の場合には前記傾斜角は１０°〜７５°の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載した透過型回折素子。
6. 前記透光性基材がシクロオレフィン樹脂の場合又は前記透光性基材の屈折率が略１．５３の場合には前記傾斜角は２°〜５５°の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載した透過型回折素子。
7. 前記凹凸部の１周期のピッチをＰ、前記底辺部の長さをＬ、前記上辺部に対する前記底辺部の深さをＤとした場合に、前記深さＤは４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲であり、デューティ比ＤＲをＬ／Ｐとした場合に前記デューティ比ＤＲは０．２〜０．３又は０．７〜０．８の範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の透過型回折素子。
8. 前記深さＤは５００ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項７に記載の透過型回折素子。
9. 映像を投影する映像投影手段と、前記映像を使用者の眼球に導入する光学手段と、前記光学手段により形成される射出瞳を拡大させるための回折手段とを備えた眼球投影型表示装置であって、
   前記回折手段は、透光性基材の表面に凹凸部が周期的に形成され、前記凹凸部の底辺部と上辺部との間の側辺部は前記表面の垂線に対して傾斜する所定の傾斜角を有する透過型回折素子であることを特徴とする眼球投影型表示装置。

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