(57)【要約】【課題】小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能な光学素子および画像表示装置を提供する。【解決手段】光入射面と、光入射面に対して垂直な複数の側面と、光入射面に対向する裏面とを有する導光部と、側面および裏面から選択された少なくとも２面以上の表面に形成された複数の回折格子部を備える光学素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と、前記光入射面に対して垂直な複数の側面と、前記光入射面に対向する裏面とを有する導光部と、
前記側面および前記裏面から選択された少なくとも２面以上の表面に形成された複数の回折格子部を備えることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子であって、
前記側面および前記裏面のうち、前記回折格子部が形成されていない面には、反射膜が形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学素子であって、
前記光入射面は、第１光入射部と第２光入射部を有し、
前記第１光入射部から入射した第１光が最初に到達する第１回折格子部と、前記第２光入射部から入射した第２光が最初に到達する第２回折格子部とが異なっていることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項３に記載の光学素子であって、
前記第１回折格子部および前記第２回折格子部は、前記側面に形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一つに記載の光学素子であって、
前記光入射面にはプリズムが配置され、
前記プリズムと前記光入射面との間には間隙が設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一つに記載の光学素子であって、
前記回折格子部は、前記導光部とは屈折率が異なる誘電体で構成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一つに記載の光学素子と、
前記光入射面に対して光を照射する光源部を備え、
前記側面に形成された前記回折格子部と前記導光部との界面で前記光の一部が反射して他の前記回折格子部に到達することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および画像表示装置に関し、特に回折格子を用いた光学素子および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
【０００３】
しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため安全上好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤ：Ｈｅａｄ  Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
図６は、従来技術のＨＵＤに用いられる光学素子の構造を示す模式図である。ＨＵＤ内には、導波路部１と、回折格子部２と、反射膜３ａ，３ｂとを備えた光学素子が収容されている。導波路部１には、傾斜端面１ａと裏面１ｂと表面１ｃが形成されており、内部に回折格子部２が設けられている。また、裏面１ｂと表面１ｃには反射膜３ａ，３ｂが形成されている。回折格子部２は、導波路部１とは屈折率が異なる材料で構成され、所定間隔で凹凸が形成されたブレーズドグレーティングである。
【０００５】
図６に示したように、光源部（図示省略）から照射された入射光Ｌｉｎは、導波路部１に入射した後に傾斜端面１ａで反射される。傾斜端面１ａで反射された入射光Ｌｉｎは導波路部１内を進み、裏面１ｂと表面１ｃの反射膜３ａ，３ｂで繰り返し反射されて回折格子部２に到達する。回折格子部２に到達した光は、回折格子部２の回折条件によって決まる方向に出射光Ｌｏｕｔとして照射される。ここで、回折格子部２の回折条件は、光の波長と回折格子部２のピッチ、導波路部１と回折格子部２の屈折率差、回折格子部２に光が到達する角度などによって決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−１１８６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし従来の車載用ＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が困難であった。また、従来の回折格子を用いたＨＵＤでは、画像の投影先は一方向に限定されていた。そのため、従来の回折格子を用いた画像表示装置では、車両運転時における運転者の様々な状況に対応できず、例えば車両の後退時に後方を振り返った場合等に情報を視認することができなかった。
【０００８】
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能な光学素子および画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、光入射面と、前記光入射面に対して垂直な複数の側面と、前記光入射面に対向する裏面とを有する導光部と、前記側面および前記裏面から選択された少なくとも２面以上の表面に形成された複数の回折格子部を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような本発明の光学素子では、光入射面から導光部に入射した光が、複数の回折格子部によって所定方向に照射されるため、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記側面および前記裏面のうち、前記回折格子部が形成されていない面には、反射膜が形成されている。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記光入射部は、第１光入射部と第２光入射部を有し、前記第１光入射部から入射した第１光が最初に到達する第１回折格子部と、前記第２光入射部から入射した第２光が最初に到達する第２回折格子部とが異なっている。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記第１回折格子部および前記第２回折格子部は、前記側面に形成されている。
【００１４】
また、本発明の一態様では、前記光入射面にはプリズムが配置され、前記プリズムと前記光入射面との間には間隙が設けられている。
【００１５】
また、本発明の一態様では、前記回折格子部は、前記導光部とは屈折率が異なる誘電体で構成されている。
【００１６】
また、本発明の画像表示装置は、上記何れか一つの光学素子と、前記光入射面に対して光を照射する光源部を備え、前記側面に形成された前記回折格子部と前記導光部との界面で前記光の一部が反射して他の前記回折格子部に到達することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能な光学素子および画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態における光学素子１０の構造を示す模式斜視図である。
【図２】光学素子１０を用いた画像表示装置の構成と光路を示す模式断面図である。
【図３】光学素子１０を車両１００内に設けた場合の画像投影を模式的に示す図である。
【図４】第２実施形態における光学素子１０の構造と光路を示す模式断面図である。
【図５】第３実施形態における光学素子１０の構造を示す模式上面図である。
【図６】従来技術のＨＵＤに用いられる光学素子の構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。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、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光学素子１０の構造示す模式斜視図である。図１に示すように光学素子１０は、導光部１１と、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、プリズム１３を備えている。なお図１は、光学素子１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は光学素子１０における実寸を示すものではない。
【００２０】
導光部１１は、光を透過する材料で構成された略板状の部分であり、図２に示すように、光入射面１１ｉと、側面１１ａ，１１ｃと、裏面１１ｂを備えている。導光部１１のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１０ｍｍ、厚さｔ＝１０ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光部１１を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ２を主成分とする屈折率１．５程度のガラスを用いることが好ましい。
【００２１】
光入射面１１ｉは、光学素子１０の外部に配置された光源からの光が入射する平坦面であり、側面１１ａ，１１ｃに対して略垂直に形成され、裏面１１ｂに対向している。側面１１ａ，１１ｃは、互いに対向するとともに表面に回折格子部１２ａ，１２ｃが形成される平坦面であり、光入射面１１ｉと裏面１１ｂに対して略垂直に形成されている。裏面１１ｂは、表面に回折格子部１２ｂが形成される平坦面であり、光入射面１１ｉに対向している。
【００２２】
回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれ側面１１ａ、裏面１１ｂ、側面１１ｃの表面に形成された略板状の部分であり、導光部１１とは屈折率が異なる材料で構成されている。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの表面には、複数の凸部と凹部が周期的に形成されており、回折格子を構成している。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの凸部と凹部は、それぞれ光入射面１１ｉに平行な方向にストライプ状に延伸して形成されている。
【００２３】
図１では回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの凸部および凹部が光入射面１１ｉに平行な例を示したが、後述する入射光Ｌ１の回折条件を満たすように設計されていれば光入射面１１ｉに平行である必要はない。例えば、斜めに入射する入射光Ｌ１に対して垂直な方向にストライプ状に延伸するとしてもよい。また、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは同一の材料で構成してもよく、それぞれ異なる材料で構成するとしてもよい。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの材料を異ならせると、導光部１１との界面における屈折率差を異ならせて、界面での反射率と回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ内への入射角を変化させることができ、さらに光学的設計の自由度が向上する。
【００２４】
回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃを構成する材料は限定されないが、導光部１１との屈折率差が大きな材料を用いることが好ましく、例えばＴｉＯ２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体を用いることが好ましい。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃのサイズは特に限定されないが、面内方向にも光を導波できる厚さを有することが好ましい。回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは公知の方法で形成することができ、例えばナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。
【００２５】
プリズム１３は、光入射面１１ｉの近傍に配置され断面三角形状の光学要素である。また、光入射面１１ｉとプリズム１３との間には間隙が設けられており、光入射面１１ｉとプリズム１３との間に空気層が介在している。プリズム１３を構成する材料は限定されないが、光源からの光を効率よく導光部１１に入射させるためには、プリズム１３と導光部１１の屈折率を同程度にすることが好ましく、導光部１１と同じ材料を用いることが好ましい。
【００２６】
光入射面１１ｉとプリズム１３との間に設けられた間隙の幅は、光の波長程度であることが好ましい。図１に示した例では間隙に空気層が介在しているが、プリズム１３と導光部１１との光結合効率を向上させるために、導光部１１と屈折率が近い透明な接触液を間隙に充填するとしてもよい。また、図１では間隙を空けてプリズム１３を配置した例を示したが、間隙を設けず両者を接触させるとしてもよい。また、光学散乱の影響による光結合効率の低下が許容範囲である場合には、プリズム１３を用いずに光入射面１１ｉから導光部１１に光を直接入射させるとしてもよい。
【００２７】
次に、図２を用いて光学素子１０における光路について説明する。図２は、光学素子１０を用いた画像表示装置の構成と光路を示す模式断面図である。図２に示すように、本実施形態の画像表示装置では、光学素子１０と、コリメートレンズ１４と、光源１５を備えている。光源１５からは、光学素子１０に向けてレーザ光が照射され、コリメートレンズ１４を介してプリズム１３にコリメート光が入射する。コリメート光はプリズム１３の一面に入射し、プリズム１３内部を透過して間隙側の面から間隙に抜ける。ここで、光入射面１１ｉのうち、コリメート光が入射する領域が本発明における光入射部に相当している。
【００２８】
プリズム１３を通過したコリメート光は、間隙を介して導光部１１の光入射面１１ｉに対して斜めに入射する。ここで、間隙の幅を波長と同程度とすることで、プリズム１３と間隙の界面や間隙と導光部１１の界面での光反射を低減して、コリメート光を高効率で導光部１１内に取り込むことができる。
【００２９】
光入射面１１ｉから入射したコリメート光は、導光部１１内部を進行する入射光Ｌ１として側面１１ａ表面の回折格子部１２ａに入射角Φで入射する。導光部１１と回折格子部１２ａの界面では、入射光Ｌ１の一部は回折格子部１２ａ内に入射し、一部が反射光として導光部１１内に反射される。入射光Ｌ１のうち回折格子部１２ａ内を進行する光は、導光部１１と回折格子部１２ａの屈折率に応じて進行角度が変化し、凸部と凹部による回折条件を満たす出射角度θｄ１方向に出射光Ｌ２として出射される。また、回折格子部１２ａ内に取り込まれた光は、屈折率と入射角Φを適切に選択することで空気との界面での漏れ全反射の条件を満たすことができ、回折格子部１２ａ内で繰り返し反射されて回折格子部１２ａ内を伝搬する。
【００３０】
入射光Ｌ１のうち導光部１１と回折格子部１２ａの界面で反射された光は、導光部１１内を進行して裏面１１ｂに到達し、裏面１１ｂ表面の回折格子部１２ｂに入射角Φで入射し、一部は回折格子部１２ｂ内に入射し、一部は導光部１１内に再反射される。再反射された光は、導光部１１内を進行して側面１１ｃに到達し、側面１１ｃ表面の回折格子部１２ｃに入射角Φで入射し、一部は回折格子部１２ｃ内に入射する。回折格子部１２ｂ，１２ｃ内に入射した光は、回折格子部１２ａと同様に凸部と凹部による回折条件を満たす出射角度θｄ２，θｄ３方向に出射光Ｌ３，Ｌ４として出射される。ここで、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから外部に照射される出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出射角度は、それぞれの凸部と凹部のピッチによって決まる。したがって、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃを適切に設定することで、出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出射方向を個別に設定することができる。
【００３１】
上述したように、本実施形態の光学素子１０では、光入射面１１ｉから導光部１１内に入射した光は、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと導光部１１の界面で部分的に反射して側面１１ａ、裏面１１ｂおよび側面１１ｃに到達し、回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから３方向に出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４として外部に照射される。これにより、光学素子１０を用いることで、小型かつ軽量で複数の方向に画像を投影することが可能となる。
【００３２】
図３は、光学素子１０を車両１００内に設けた場合の画像投影を模式的に示す図である。図３に示すように、車両１００の車内天井に光学素子１０を配置し、別途設けた光源から光を光学素子１０に入射させる。光学素子１０からは図２で説明したように、車両１００の３方向（前方、中央下方、後方）に向かって出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が照射される。前方への出射光Ｌ２はフロントガラス１０１に投影され、後方への出射光Ｌ４はリアガラス１０２に投影される。中央下方への出射光Ｌ３は車内に配置したスクリーンに投影される。ここでスクリーンとしては、非透過型の白色スクリーンや透過型のガラスを別途設けるとしてもよく、車両の内装をスクリーンとして用いるとしてもよい。
【００３３】
上述したように、本実施形態の光学素子１０および画像表示装置では、ミラーや光学レンズを用いるよりも小型かつ軽量で複数方向に対して同時に画像投影を行うことができる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は、本実施形態における光学素子１０の構造と光路を示す模式断面図である。本実施形態では、裏面１１ｂの表面には反射膜１６を形成する点が第１実施形態と異なっている。
【００３５】
反射膜１６は、裏面１１ｂを覆うように形成された反射率の高い膜である。反射膜１６を構成する材料は限定されないが、銀等の高反射率金属を蒸着して形成することが好ましい。反射膜１６を形成した面からは出射光が外部に照射されないため、画像の投影方向を限定することができる。また、側面１１ａと回折格子部１２ａの界面で反射して裏面１１ｂに到達した光を高効率で側面１１ｃにまで反射させることができ、回折格子部１２ｃから外部に照射される出射光Ｌ４の強度を向上させることができる。
【００３６】
図４では裏面１１ｂにのみ反射膜１６を形成した例を示したが、導光部１１の光入射面１１ｉ以外の面のうち、回折格子部１２ａ〜１２ｃが形成されていない面には、全て反射膜１６を形成することが好ましい。
【００３７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態における光学素子１０の構造を示す模式上面図である。本実施形態では、導光部１１に対して光を２系統入射させ、側面の全てに回折格子部を形成する点が第１実施形態と異なっている。
【００３８】
図５に示すように、本実施形態の光学素子１０では、側面１１ａ，１１ｃに対して直交する側面１１ｄ，１１ｅの表面にも回折格子部１２ｄ，１２ｅが形成されている。また、光入射面１１ｉの近傍には二つのプリズム１３ａ，１３ｂが配置されている。プリズム１３ａ，１３ｂはそれぞれ断面三角形状の光学要素であり、互いに稜線方向が直交するように配置されている。
【００３９】
本実施形態の画像表示装置では光源１５を二つ用意し、光学素子１０のプリズム１３ａ，１３ｂに対して光を照射する。ここで、光入射面１１ｉのうち、プリズム１３ａ,１３ｂを介してコリメート光が入射する領域は、それぞれ本発明における第１光入射部と第２光入射部に相当している。プリズム１３ａを介して導光部１１に入射した光は、図２で述べたように回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４として３方向に照射される。同様にして、プリズム１３ｂを介して導光部１１に入射した光は、側面１１ｄに到達して一部が回折格子部１２ｄ内に入射し、一部が反射光として導光部１１内に反射される。側面１１ｄで反射された光は、裏面１１ｂで再び反射されて側面１１ｅに到達し、一部が回折格子部１２ｅ内に入射する。回折格子部１２ｄ，１２ｅ内に入射した光は、第１実施形態と同様に凸部と凹部による回折条件を満たす方向に出射光Ｌ５，Ｌ６として出射される。
【００４０】
本実施形態の光学素子１０では、プリズム１３ａを介して導光部１１に入射した光が最初に到達する回折格子部１２ａと、プリズム１３ｂを介して導光部１１に入射した光が最初に到達する回折格子部１２ｄとが異なっている。また、回折格子部１２ａが形成された側面１１ａと、回折格子部１２ｄが形成された側面１１ｄは直交している。これにより、プリズム１３ａから入射した光とプリズム１３ｂから入射した光は、導光部１１内で別経路を経てそれぞれ回折格子部１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび回折格子部１２ｄ，１２ｅから外部に照射される。
【００４１】
本実施形態の光学素子１０を用いた画像表示装置では、光入射面１１ｉに垂直な側面１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅと、裏面１１ｂの５方向に対して画像を投影することができる。車両１００に用いた場合には、図３に示した前方、中央下方、後方への出射光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に加えて、側方への出射光Ｌ５，Ｌ６を照射して、左右のサイドガラスにも画像を投影することができる。
【００４２】
上述したように本実施形態の光学素子１０および画像表示装置では、小型かつ軽量でありながら最大で５方向に対して複数方向に対して同時に画像投影を行うことができる。
【００４３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。上述した第１実施形態〜第３実施形態では、導光部１１として直方体のものを示したが、導光部１１の形状は限定されない。例えば、光入射面１１ｉに対して裏面１１ｂが平行ではなく、所定角度傾斜しているとしてもよい。また、光入射面１１ｉに対して側面１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが垂直でなくてもよい。
【００４４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
Ｌ１…入射光
Ｌ２〜Ｌ６…出射光
１０…光学素子
１００…車両
１０１…フロントガラス
１０２…リアガラス
１１…導光部
１１ｉ…光入射面
１１ａ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ…側面
１１ｂ…裏面
１２ａ〜１２ｅ…回折格子部
１３，１３ａ，１３ｂ…プリズム
１４…コリメートレンズ
１５…光源
１６…反射膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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