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JP-2026514601-A - 回折格子、光導波路素子及び表示装置

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Abstract

回折格子（１０）並びに回折格子（１０）を含む光導波路素子及び表示装置である。回折格子（１０）は、基板（１）と、基板（１）の上に、第１次元の方向（ｐ １ ）と第２次元の方向（ｐ ２ ）とに周期的に離間して配列するように形成されている複数の微細構造ユニット（２）とを備え、微細構造ユニット（２）の基板（１）への正射影によるパターンは第１の閉じたパターン（２１）を含み、第１の閉じたパターン（２１）は非対称パターンであり、３つ以上の辺が閉じるように順次接続されて第１の閉じたパターン（２１）の境界を形成し、３つ以上の辺の少なくとも一つが第１次元の方向（ｐ １ ）と第２次元の方向（ｐ ２ ）のいずれにも平行でない直線の辺である。これにより、微細構造ユニット（２）は 、多くの調整可能なパラメーターを有し、設計の自由度が豊富で、光取り出し効率の調整に有利である。 【選択図】図２ａ

Inventors

  • 邵陳荻
  • 徐松
  • 関健
  • 周興

Assignees

  • 珠海莫界科技有限公司

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20240315
Priority Date
20230508

Claims (17)

  1. 基板と、 前記基板の上に、第１次元の方向と第２次元の方向とに周期的に離間して配列するように形成されている微細構造ユニットとを備え、前記微細構造ユニットの前記基板への正射影によるパターンが第１の閉じたパターンを含み、 前記第１の閉じたパターンは非対称パターンであり、３つ以上の辺が閉じるように順次接続されて前記第１の閉じたパターンの境界を形成し、前記３つ以上の辺の少なくとも一つが前記第１次元の方向と前記第２次元の方向のいずれにも平行でない直線の辺である、回折格子。
  2. 前記第１次元の方向と前記第２次元の方向のいずれにも平行でない直線の辺が変換辺であり、前記変換辺と前記第１次元の方向または前記第２次元の方向と交差して形成される、第１の閉じたパターンの外に位置する挟角が変換角θ ｉ であり、前記変換角θ ｉ の角度範囲が５°～１７５°である、請求項１に記載の回折格子。
  3. 前記第１の閉じたパターンにおける変換辺は、第１種の直線の辺、第２種の直線の辺、第３種の直線の辺、第４種の直線の辺の少なくとも一つを含み、 前記第１の閉じたパターンの前記第１次元の方向の最大リッジ幅ｌ １ と、前記第２次元の方向の最大リッジ幅ｌ ２ とを２組の対辺として基準平行四辺形を設定すると、 前記第１種の直線の辺の第１の端点は、前記基準平行四辺形の一方の頂点に位置し、前記第１種の直線の辺の第２の端点は、前記基準平行四辺形における第１の端点と隣接していない一方の辺または前記基準平行四辺形における前記第１の端点と隣接していない他方の頂点に位置し、 前記第２種の直線の辺の第１の端点と第２の端点は、それぞれ前記基準平行四辺形における方向が異なる２つの辺に位置し、 前記第３種の直線の辺の第１の端点は、前記基準平行四辺形のいずれかの辺または頂点に位置し、前記第３種の直線の辺の第２の端点は、前記基準平行四辺形の内部に位置し、 前記第４種の直線の辺の第１の端点と第２の端点はいずれも前記基準平行四辺形の内部に位置する、請求項２に記載の回折格子。
  4. 前記第１種の直線の辺における辺長がｌ １０ の一方の辺に位置する第２の端点と、前記一方の辺における前記第２の端点に近い方の端点との距離ｄ ｌｉ は であり、ｌ １０ の値がｌ １ 又はｌ ２ に対応し、 前記第２種の直線の辺における辺長がｌ ２０ の一方の辺に位置する第１の端点と、前記一方の辺における前記第１の端点に近い方の端点との距離ｄ ２ｉ は であり、前記第２種の直線の辺における辺長がｌ ３０ の他方の辺に位置する第２の端点と、前記他方の辺における前記第２の端点に近い方の端点との距離ｄ ３ｉ は であり、ｌ ２０ の値がｌ １ に対応する場合、ｌ ３０ の値がｌ ２ に対応し、ｌ ２０ の値がｌ ２ に対応する場合、ｌ ３０ の値がｌ １ に対応し、 前記第３種の直線の辺における辺長がｌ ４０ の一方の辺に位置する第１の端点と、前記一方の辺における前記第１の端点に近い方の端点との距離ｄ ４ｉ は であり、ｌ ４０ の値がｌ １ 又はｌ ２ に対応する、請求項３に記載の回折格子。
  5. 前記第１の閉じたパターンにおける変換辺は、前記第３種の直線の辺を２つ含み、２つの前記第３種の直線の辺の、前記基準平行四辺形の内部に位置する２つの第２の端点の間は、１つ以上の前記第４種の変換辺、１つの曲線の辺、および前記第１次元の方向または第２次元の方向に平行な１つの直線の辺のうちの少なくとも一つによって互いに接続されている、請求項３に記載の回折格子。
  6. 前記３つ以上の辺の少なくとも２つ以上は前記変換辺であり、２つ以上の前記変換辺に対応する変換角は互いに等しくない、請求項２に記載の回折格子。
  7. 前記第１の閉じたパターンは、少なくとも一つの曲線の辺を有する、請求項１に記載の回折格子。
  8. 前記微細構造ユニットの前記基板への正射影によるパターンは、任意の形状の第２の閉じたパターンをさらに含む、請求項１に記載の回折格子。
  9. 前記微細構造ユニットが周期的に配列する第１次元の方向と第２次元の方向に、２つの配列周期を二組の対辺として構成される平行四辺形において、比較的に小さい内角の角度が３０°～８５°である、請求項１から８のいずれか一項に記載の回折格子。
  10. 前記微細構造ユニットが第１次元の方向に配列する周期と第２次元の方向に配列する周期はいずれも１５０ｎｍ～２μｍの範囲内にある、請求項１に記載の回折格子。
  11. 前記微細構造ユニットが第１次元の方向に配列する周期と第２次元の方向に配列する周期とは等しくない、請求項１０に記載の回折格子。
  12. 前記回折格子が表面レリーフ型格子または体積型ホログラフィック格子であり、前記回折格子の厚さが１０ｎｍ～２μｍの範囲内にある、請求項１に記載の回折格子。
  13. 前記回折格子は、屈折率、吸収特性、複屈折特性の少なくとも一つを含む光学特性の異なる少なくとも２種類の光学材料成分を含む、請求項１２に記載の回折格子。
  14. 前記表面レリーフ型格子の場合、前記微細構造ユニット領域は格子の厚さの半分に形成され、前記回折格子において、微細構造ユニットの領域が高屈折率部分とされ、前記微細構造ユニットの領域を囲む残りの領域が低屈折率部分とされ、あるいは、前記回折格子において、微細構造ユニットの領域が低屈折率部分とされ、前記微細構造ユニットの領域を囲む残りの領域が高屈折率部分とされ、屈折率が段階的に変化する体積型ホログラフィック格子の場合、前記微細構造ユニットの領域は格子の厚さの半分に対応し、前記微細構造ユニットの領域は光学材料の平均屈折率に対応する輪郭線で囲まれた部分である、請求項１３に記載の回折格子。
  15. 基部と、 前記基部に設けられた光取り込み格子、光取り出し格子、中間格子の少なくとも一つと、を備え、 前記光取り込み格子、前記光取り出し格子、前記中間格子の少なくとも一つは、一部の領域に、請求項１から１４のいずれか一項に記載の回折格子を採用する、光導波路素子。
  16. 前記回折格子は人間の目に近い側または人間の目から遠い側に１層または複数層のコートを有し、前記基部は格子が設けられていない側に１層または複数層のコートを有する、請求項１５に記載の光導波路素子。
  17. 請求項１５から１６のいずれか一項に記載の光導波路素子を含む表示装置。

Description

本出願は光学表示の技術分野に属し、具体的に回折格子、光導波路素子及び表示装置に関する。 拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）、複合現実（Ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ、ＭＲ）の分野では、ＢＢ（Ｂｉｒｄ Ｂａｔｈ、ハーフミラー式）、ワームアイ（軸外反射式）、自由曲面プリズムなどによる表示方式よりも、光導波路方式の方が薄型でアイボックスが大きいため、より広範な応用分野が期待される。 光導波路方式では、部分的に半透過膜を用いるアレイ光導波路に比べて、回折光導波路は生産・製造プロセスの難しさが低く、２Ｄ瞳拡張を実現する際に格子状の暗い縞が存在しないため、より注目されている。現在、回折光導波路には主に１次元格子による光導波路方式と２次元格子による光導波路方式がある。全１次元格子による光導波路設計案に比べて、２次元格子に基づく光導波路設計案は屈曲領域を要することなく２Ｄ瞳拡張に達することができるため、より大きなアイボックスを提供することができ、より大きな優位性を持っている。従来の２次元格子に基づく光導波路では、通常、２次元方向に周期的に配列された複数の微細構造ユニットから２次元回折格子が構成され、微細構造ユニットは柱状構造を呈し、その横断面が円形、楕円形、三角形、平行四辺形などの規則的な形状である。 発明者は、本出願の実施形態を実現する過程で、以上の関連技術に係る２次元回折格子に、少なくとも、微細構造ユニットの調整可能な形状パラメータが少なく、設計の自由度が低く、光取り出し効率の調整に不利であるといった問題があることを発見した。 上記の問題に対して、本出願は、微細構造の設計自由度を向上することができ光取り出し効率の調整に有利な回折格子、光導波路素子及び表示装置を提供することを目的とする。 上記目的を達成するために、本出願は、以下の技術方案を提供する。 基板と、 前記基板の上に、第１次元の方向と第２次元の方向とに周期的に離間して配列するように形成されている微細構造ユニットとを備え、前記微細構造ユニットの前記基板への正射影によるパターンが第１の閉じたパターンを含み、前記第１の閉じたパターンは非対称パターンであり、３つ以上の辺が閉じるように順次接続されて前記第１の閉じたパターンの境界を形成し、前記３つ以上の辺の少なくとも一つが前記第１次元の方向と前記第２次元の方向のいずれにも平行でない直線の辺である回折格子を提供する。 代替的な態様では、前記第１次元の方向と前記第２次元の方向のいずれにも平行でない直線の辺が変換辺であり、前記変換辺と前記第１次元の方向または前記第２次元の方向と交差して形成さる、第１の閉じたパターンの外に位置する挟角が変換角θｉであり、前記変換角θｉの角度範囲が５°～１７５°である。 代替的な態様では、前記第１の閉じたパターンにおける変換辺は、第１種の直線の辺、第２種の直線の辺、第３種の直線の辺、第４種の直線の辺の少なくとも一つを含み、 前記第１の閉じたパターンの前記第１次元の方向の最大リッジ幅ｌ１と、前記第２次元の方向の最大リッジ幅ｌ２とを２組の対辺として基準平行四辺形を設定すると、 前記第１種の直線の辺の第１の端点は、前記基準平行四辺形の一方の頂点に位置し、前記第１種の直線の辺の第２の端点は、前記基準平行四辺形の１つの辺または前記基準平行四辺形の他方の頂点に位置し、 前記第２種の直線の辺の第１の端点と第２の端点は、それぞれ前記基準平行四辺形における方向が異なる２つの辺に位置し、 前記第３種の直線の辺の第１の端点は、前記基準平行四辺形のいずれかの辺または頂点に位置し、前記第３種の直線の辺の第２の端点は、前記基準平行四辺形の内部に位置し、 前記第４種の直線の辺の第１の端点と第２の端点はいずれも前記基準平行四辺形の内部に位置する。 代替的な態様では、前記第１種の直線の辺における辺長がｌ１０の一方の辺に位置する第２の端点と、前記一方の辺における前記第２の端点に近い方の端点との距離ｄｌｉは であり、ｌ１０の値がｌ１又はｌ２に対応し、 前記第２種の直線の辺における辺長がｌ２０の一方の辺に位置する第１の端点と、前記一方の辺における前記第１の端点に近い方の端点との距離ｄ２ｉは であり、前記第２種の直線の辺における辺長がｌ３０の他方の辺に位置する第２の端点と、前記他方の辺における前記第２の端点に近い方の端点との距離ｄ３ｉは であり、ｌ２０の値がｌ１に対応する場合、ｌ３０の値がｌ２に対応し、ｌ２０の値がｌ２に対応する場合、ｌ３０の値がｌ１に対応し、 前記第３種の直線の辺における辺長がｌ４０の一方の辺に位置する第１の端点と、前記一方の辺における前記第１の端点に近い方の端点との距離ｄ４ｉは であり、ｌ４０の値がｌ１又はｌ２に対応する。 代替的な態様では、前記第１の閉じたパターンにおける変換辺は、前記第３種の直線の辺を２つ含み、２つの前記第３種の直線の辺の、前記基準平行四辺形の内部に位置する２つの第２の端点の間は、１つ以上の前記第４種の変換辺および／または１つの曲線の辺および／または前記第１次元の方向または第２次元の方向に平行な１つの直線の辺によって互いに接続されている。 代替的な態様では、前記３つ以上の辺の少なくとも２つ以上は前記変換辺であり、２つ以上の前記変換辺に対応する変換角は互いに等しくない。 代替的な態様では、前記曲線の辺が少なくとも一つの波峰または少なくとも一つの波谷を有する波浪状のものである。 代替的な態様では、前記微細構造ユニットの前記基板への正射影によるパターンは、任意の形状の第２の閉じたパターンをさらに含む。 代替的な態様では、前記微細構造ユニットが周期的に配列する第１次元の方向と第２次元の方向に、２つの配列周期を二組の対辺として構成される平行四辺形において、比較的に小さい内角の角度が３０°～８５°である。 代替的な態様では、前記微細構造ユニットが第１次元の方向に配列する周期と第２次元の方向に配列する周期はいずれも１５０ｎｍ～２μｍの範囲内にある。 代替的な態様では、前記微細構造ユニットが第１次元の方向に配列する周期と第２次元の方向に配列する周期とは等しくない。 代替的な態様では、前記回折格子が表面レリーフ型格子または体積型ホログラフィック格子であり、前記回折格子の厚さが１０ｎｍ～２μｍの範囲内にある。 代替的な態様では、前記回折格子は、屈折率、吸収特性、複屈折特性の少なくとも一つを含む光学特性の異なる少なくとも２種類の光学材料成分を含む。 代替的な態様では、前記表面レリーフ型格子の場合、前記微細構造ユニットの領域は格子の厚さの半分に形成され、前記回折格子において、微細構造ユニットの領域が高屈折率部分とされ、前記微細構造ユニットの領域を囲む残りの領域が低屈折率部分とされ、あるいは、前記回折格子において、微細構造ユニットの領域が低屈折率部分とされ、前記微細構造ユニットの領域を囲む残りの領域が高屈折率部分とされ、屈折率が段階的に変化する体積型ホログラフィック格子の場合、前記微細構造ユニットの領域は格子の厚さの半分に対応し、前記微細構造ユニットの領域は光学材料の平均屈折率に対応する輪郭線で囲まれた部分である。 本出願は、また、 基部と、 前記基部に設けられた光取り込み格子、光取り出し格子、中間格子の少なくとも一つと、を備え、 前記光取り込み格子、前記光取り出し格子、前記中間格子の少なくとも一つは、一部の領域に、上記のような回折格子を採用する、光導波路素子を提供する。 代替的な態様では、前記回折格子は人間の目に近い側または人間の目から遠い側に１層または複数層のコートを有し、前記基部は格子が設けられていない側に１層または複数層のコートを有する。 本出願は、さらに、上記のような光導波路素子を含む表示装置を提供する。 本出願の実施形態で提供される回折格子、光導波路素子及び表示装置は、２次元回折格子の微細構造ユニットが非対称構造であり、２次元回折格子の微細構造ユニットの境界を構成する辺の少なくとも一つが、周期的に配列する２次元方向のいずれにも平行でない直線の辺であり、これによれば、この微細構造ユニットは、多くの調整可能なパラメータを有し、設計の自由度が豊富で、光取り出し効率の調整に有利であり、回折の選択性の向上、回折効率の向上、人間の目で見る画像の明るさの向上を図ることができる。 図１は１つまたは複数の実施形態に係る回折格子の構造を示す模式図である。図２ａから図２ｇは１つまたは複数の実施形態に係る微細構造ユニットの境界形状を示す。図３ａから図３ｈは１つまたは複数の実施形態に係る微細構造ユニットの調整可能なパラメータを示す。図４ａおよび図４ｂは１つまたは複数の実施形態に係る微細構造ユニットの面取りを示す図である。図５は１つまたは複数の実施形態に係る微細構造ユニットの境界形状を示す。図６ａから図６ｆは、１つまたは複数の実施形態に係る回折格子の断面構造を示す模式図である。 本出願の目的、技術方案および利点をより明確にするために、以下では添付図面を参照しながら、本出願の具体的な実施態様を詳細に説明する。これら好ましい実施態様の例は添付図面に例示されている。本出願の添付図面に示される実施態様や添付図面に従って説明される実施態様は例示的なものにすぎず、本出願はこれら実施態様に限定されない。 特に定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本出願の技術分野における当業者が通常理解する意味と同一である。本出願明細書において使用される用語は、ここで、具体的な実施態様を説明するためのものであり、本出願を制限する意図ではない。 なお、ある構成要素は別の構成要素に「設置される」と説明される場合、別の構成要素に直接的に位置しても間接的に位置してもよい。 なお、本出願の実施形態の図面中の同一または類似の符号は同一または類似の構成要素に対応する。本出願の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」などの用語が示す方位または位置関係は、図面に基づく方位または位置関係であり、単に本出願の説明を容易にかつ簡単にするためにすぎず、示された素子またはデバイスが特定の方位を有し、特定の方位で構成され、操作されなければならないことを示したり示唆したりするものではないため、図面に記載された位置関係を示す用語はあくまで例示的な説明に用いられ、本出願を制限するものと解釈すべきではく、当業者であれば、具体的な状況に応じてこれらの用語の具体的な意味を理解することができる。 ここでさらに説明すべきことは、不要な詳細によって本出願の内容が曖昧になるのを防ぐため、図面には本出願の態様と密接に関連する構造および／または処理ステップのみを示し、本出願とあまり関係のないその他の詳細は省略されていることである。 本出願の実施形態は、まず、図１に示すように、基板１と、前記基板１の上に、第１次元の方向ｐ１と第２次元の方向ｐ２とに周期的に配列するように形成される複数の微細構造ユニット２とを備える回折格子１０を提供する。ここで、前記微細構造ユニット２が第１次元の方向ｐ１に配列する周期は｜ｐ１｜であり、前記微細構造ユニット２が第２次元の方向ｐ２に配列する周期は｜ｐ２｜である。なお、図１中、微細構造ユニット２をドットで示すのは、微細構造ユニット２の基板１上でのアレー配列構造を説明するためであり、微細構造ユニット２が円形の形状であることを示すものではない。 １つまたは複数の実施形態では、図１を参照すると、前記微細構造ユニット２が周期的に離間して配列する第１次元の方向ｐ１と第２次元の方向ｐ２に、２つの配列周期を二組の対辺として構成される平行四辺形３において、比較的に小さい内角αの角度は３０°～８５°である。この平行四辺形３は