專利名稱：圖像顯示設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于使觀察者觀看由成像裝置等形成的二維 圖像的圖像顯示設備。
背景技術：
曰本未審查專利申請/>開(PCT申請的譯文)第2005-521099 號以及日本未審查專利申請公開第2006-162767號披露了虛像顯示 設備(圖像顯示設備)，其中，虛像光學系統(tǒng)允許觀察者觀看作為 放大虛像的由成像裝置形成的二維圖像。
圖1是這種圖像顯示設備的概念圖。參見圖1，圖像顯示設備 700 (為了方便被稱作第一類圖像顯示設備700并在圖1中用參考 標號100表示)包括具有排列成二維矩陣的多個像素的成像裝置711 (圖1中為111 )、用于使從成像裝置711的像素射出光準直的準直 光學系統(tǒng)712 (圖1為中112)以及光學裝置720 (圖1中為120)， 經準直光學系統(tǒng)712準直的光入射到該光學裝置上。該入射光^皮引 導并且/人光學裝置720射出。光學裝置720包括導光4反721 (圖1
13中為121)、第一光學構件730 (圖1中為130,例如，由單層反光 膜形成)以及第二光學構件740 (圖1中為140,例如，由具有分 層結構的反光多層膜形成)。入射光通過全反射在導光板721中傳 播，然后從導光板721射出。第一光學構件730使入射到導光板721 上的光反射，偵_得該入射光在導光才反721中浮皮完全反射，并且第二 光學構件740從導光板721射出通過全反射在導光板721中傳播的 光。例如，當使用該圖像顯示設備700制造HMD (頭戴式顯示器， Head-Mounted Display )時，可以減小顯示器的重量和尺寸。
另夕卜，日本未審查專利申請公開第2007-94175號披露了使用全 息衍射光柵的虛像顯示設備(圖像顯示設備)，其中，虛像光學系 統(tǒng)允許觀察者觀看作為放大虛像的由成像裝置形成的二維圖像。
圖4A是這種圖像顯示設備的概念圖。參見圖4A，圖像顯示i殳 備800 (為了方便被稱作第二類圖像顯示設備800并在圖4A中用 參考標號300表示)基本上包括用于顯示圖像的成像裝置811 (圖 4A中為111 )、準直光學系統(tǒng)812 (圖4A中為112)以及虛^f象光學 系統(tǒng)(光學裝置820，在圖4A中用參考標號320表示)，其中，由 成l象裝置811顯示的光入射到該虛^f象光學系統(tǒng)上。入射光^皮導向》見 察者的眼睛10。光學裝置820包括導光板821 (圖4A中為321 ) 以及第一衍射光4冊構件830 (圖4A中為330)和第二衍射光柵構件 840 (圖4A中為340 )，這些衍射光柵構件被設置在導光板821上。 第一衍射光4冊構件830和第二衍射光柵構件840中的每一個均都由 反射體積全息衍射光柵形成。從成像裝置811中的像素射出的光進 入準直光學系統(tǒng)812,其中光被轉換成平行光，并且平行光進入導 光板821。平行光入射到導光板821的第一表面822 (圖4A中為 322)上并乂人其射出。另一方面，第一布f射光4冊構件830和第二杏亍 射光柵構件840被安裝在平行于第一表面822的導光板821的第二 表面823 (圖4A中323 )上。
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發(fā)明內容
在第一類圖像顯示設備700中，當觀察者的眼睛IO位于區(qū)域A 時，如圖13所示，乂人準直光學系統(tǒng)712射出的光到達眼睛10。然 而，當眼睛10位于區(qū)i或A之間的區(qū)i或B時，沒有光/人準直光學系 統(tǒng)712射出并到達眼睛10。即使光被射出，所射出的光的量嚴重地 減少。在圖13中，為了清楚i兌明，區(qū)域A凈皮用殺牛紋畫上陰影。因 此，在第一類圖像顯示i殳備700中，才艮據(jù)觀察者眼睛的位置，在所 顯示的圖像中產生了亮度不均勻以及色彩不均勻。
在第二類圖像顯示設備800中，第二衍射光柵構件840從導光 斗反821逐漸射出光，同時4吏該光反射并書f射多次，以1更在沒有增力口 導光板821厚度的情況下以更寬的-見角進行顯示并擴大^L察者能夠 觀看圖像的范圍(眼睛箱，eye box )。即使在第二類圖像顯示設備 800中，當觀察者的眼睛IO位于區(qū)域A或區(qū)域C時，如圖14所示， 乂人準直光學系統(tǒng)812射出的平4亍光也能到達眼睛10。然而，當眼睛 10位于區(qū)域B時，沒有光從準直光學系統(tǒng)812射出并且到達眼睛 10。即使光被射出，所射出的光的量也嚴重地減少。因此，在第二 類圖像顯示設備800中，根據(jù)觀察者眼睛的位置，在所顯示的圖^f象 中也產生了亮度不均勻以及色彩不均勻。
希望提供一種圖像顯示設備，其具有這樣的配置即使觀察者 眼睛的位置移動，當觀看由成像裝置等形成的二維圖像時也能使亮 度不均勻以及色彩不均勻最小化。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖像顯示設備，包括 (A)成像裝置，包括排列成二維矩陣的多個像素；
15(B) 準直光學系統(tǒng)，被配置為將從成像裝置中的每個像素射
出的光轉換為平4亍光；以及
(C) 光學裝置，平行光從該準直光學系統(tǒng)入射到該光學裝置 上，在該光學裝置中平行光被引導，并且平行光從其射出。
該光學裝置包括
(a) 導光才反，該入射光在通過全反射在導光才反中傳4番后乂人該 導光板射出；
(b) 第一偏轉裝置，被配置為使入射到導光板上的光偏轉， 使得該入射光在該導光板中被完全反射；以及
(c) 第二偏轉裝置，被配置為使通過全反射在導光板中傳4番 的光偏轉多次，以4吏光乂人導光4反射出。
術語"全反射"指的是在導光板中完全的內部反射或全反射。這 也適用于以下內容。
在該實施例的圖像顯示設備中，第 一偏轉裝置和第二偏轉裝置 被設置在導光板中，并且從至少一個像素射出的具有一種波長的光 滿足條件2t.sin0 - 2 S WY《2t'sin6+2，優(yōu)選地，2t.sin0 - 1《WY S 2t-sine+l,并且更優(yōu)選;也，WY = 2t'sine,其中，導光4反的軸線方向 是Y方向，導光斥反的法線方向是X方向，Wy(單^f立mm)表示 入射到導光板上的光束在Y方向上的寬度，t(單位mm)表示導
光板的厚度，以及e表示在導光才反中^皮完全反射的光在導光板的內
表面上的入射角。
可選地，第一偏轉裝置和所述第二偏轉裝置可以被設置在導光 板的表面上，并且可以滿足條件2t.tane-2《WY^2t.tane+2，優(yōu)選
16地，2t.tan0-" W"2t.tan0+1，并且更優(yōu)選地，WY = 2t.tan9，其 中，導光才反的軸線方向是Y方向，導光^反的法線方向是X方向， WY (單位mm)表示入射到導光板上的光束在Y方向上的寬度， t(單位mm)表示導光板的厚度，以及e表示在導光板中被完全反 射的光在導光板的內表面上的入射角。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圖像顯示設備，包括
(A) 光源；
(B) 準直光學系統(tǒng)，#:配置為將從光源射出的光轉換為平4亍
光；
(C) 掃描裝置，；故配置為對/人準直光學系統(tǒng)射出的平行光進
(D )中繼光學系統(tǒng)(relay optical system )， 4皮配置為對經掃4苗 裝置掃描的平行光進4亍中繼；以及
(E)光學裝置，來自中繼光學系統(tǒng)的平行光入射到該光學裝 置上，在該光學裝置中平行光被引導，并且平行光從其射出。
該光學裝置包括
(a) 導光板，入射光在通過全反射在該導光板中傳播后乂人該 導光板射出；
(b) 第一偏轉裝置，被配置為使入射到導光板上的光偏轉， 使得入射光在導光板中被完全反射；以及(c)第二偏轉裝置，被配置為使通過全反射在導光板中傳4番 的光偏轉多次，以使光從導光板射出。
在該實施例的圖像顯示設備中，第 一偏轉裝置和第二偏轉裝置 被設置在導光板中，并且從至少一個像素射出的具有一種波長的光
滿足條件2t.sinQ - 2 S WY S 2t'sin0+2，優(yōu)選地，2t'sin0 - 1 S WY S 2t-sine+l,并且更優(yōu)選i也，WY = 2t'sine，其中，導光4反的軸線方向 是Y方向，導光板的法線方向是X方向，Wy(単位mm)表示 入射到導光板上的光束在Y方向上的寬度，t(單位mm)表示導
光板的厚度，以及e表示在導光^反中凈皮完全反射的光在導光板的內
表面上的入射角。
可選地，第一偏轉裝置和第二偏轉裝置可以纟皮設置在導光^1的 表面上，并且可以滿足條件2t.tane - 2《WY S 2t.tan6+2 ，優(yōu)選;也， 2t.tan0 - 1 S WY S 2t.tan9+l ，并且更l尤選;也，WY = 2t.tan9,其中， 導光板的軸線方向是Y方向，導光板的法線方向是X方向，Wy(羊 位mm)表示入射到導光板上的光束在Y方向上的寬度，t(單位 mm)表示導光板的厚度，以及e表示在導光板中被完全反射的光在 導光板的內表面上的入射角。
在才艮據(jù)上述實施例的圖像顯示設備中，第一偏轉裝置能夠4吏入 射到導光板上的光反射，并且第二偏轉裝置能夠使通過全反射在導 光板中傳播的光透射并反射多次。在這種情況下，第一偏轉裝置能 夠起到反射鏡的作用，以及第二偏轉裝置能夠起到半透鏡的作用。
第 一偏轉裝置可以使入射到導光板上的光衍射，并且第二偏轉 裝置可以使通過全反射在導光板中傳播的光衍射多次。在這種情況 下，第一偏轉裝置和第二偏轉裝置能夠由衍射光^"元件形成。這些 衍射光柵元件可以是反射型衍射光柵元件或透射型衍射光柵元件。 可選地， 一個衍射光柵元件可以是反射型衍射光4冊元件，而另一個
18衍射光柵元件可以是透射型衍射光柵元件。在這些情況下，滿足以 下條件
2t.tanQ - 2 S k S 2t.tanQ+2
其中，Lj^ (單位mm)表示第一偏轉裝置在Y方向上的有
效長度。
在根據(jù)上述實施例的圖像顯示設備中，滿足了條件2t'sine - 2 S WY《2t'sin9+2或條件2t'tane - 2 S WY《2t'tane+2。由于這個原因， 即使觀察者眼睛的位置移動，在由成像裝置等形成的二維圖像中很 少觀察到亮度不均勻和色彩不均勻。


圖1是根據(jù)實施例1的圖像顯示設備的概念圖2是示出了光在實施例1的圖像顯示設備中或實施例2的圖 像顯示設備中的導光板中傳播的情況的概念圖3是實施例2的圖像顯示設備的概念圖4A是根據(jù)實施例3的圖像顯示設備的概念圖，以及圖4B 是反射體禾口、全息書亍射光4冊(reflective volume hologram diffracton grating)的一部分的i文大的截面示意圖5是示出了平行光進入實施例3的圖像顯示設備中或實施例 4的圖^f象顯示i殳備中的導光4反的情況的概念圖6是示出了觀察者戴著兩個實施例3的圖像顯示設備的情況 概念圖；圖7是實施例4的圖像顯示設備的概念圖8是適用于實施例1或3的成像裝置的變型例的概念圖9是適用于實施例1或3的成像裝置的另一個變型例的概念
圖IO是適用于實施例1或3的成^f象裝置的又一個變型例的扭無 念圖11是適用于實施例1或3的成像裝置的又一個變型例的沖既 念圖12是適用于實施例1或3的成^象裝置的又一個變型例的扭無 念圖13是說明現(xiàn)有技術中第一類圖像顯示設備的問題的概念以及
圖14是說明在現(xiàn)有技術中第二類圖像顯示設備的問題的概念圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。
在根據(jù)實施例的圖像顯示設備中，成像裝置可以包括反射型空 間光調制器和光源，包括透射型空間光調制器和光源，或者包括誚-如有才幾EL (電發(fā)光)元件、無機EL元件或發(fā)光二極管(LED)的 發(fā)光元件。具體地，優(yōu)選的是，成像裝置包括反射型空間光調制器 和光源。例如，空間光調制器可以由光閥、透射或反射型液晶顯示
20器(諸如LCOS (硅上液晶))或數(shù)字微鏡器件(DMD)形成，并 且光源可以由發(fā)光元件形成。另外，該反射型空間光調制器可以包 括液晶顯示器和偏振分束器，該偏振分束器將來自光源的光的一部 分反射到液晶顯示器并使被液晶顯示器反射的部分光透射至準直 光學系統(tǒng)。形成光源的發(fā)光元件包括(例如)紅色發(fā)光元件、綠色 發(fā)光元件、藍色發(fā)光元件和白色發(fā)光元件。發(fā)光元件可以由半導體 激光元件或LED形成。根據(jù)圖像顯示設備的規(guī)才各可以確定像素的 f史目。侈寸^口， ^f象素的具體凄t目是320x240、 432x240、 640x480、 1024x768或1920x1080。
在才艮據(jù)另 一個實施例的圖〗象顯示i殳備中，光源可以由例如發(fā)光 元件形成。更具體地，發(fā)光元件可以包括紅色發(fā)光元件、綠色發(fā)光 元件、藍色發(fā)光元件和白色發(fā)光元件。例如，發(fā)光元件可以由半導 體激光元件或LED形成。這個實施例的圖像顯示設備中的像素(虛 擬像素)的數(shù)目可以根據(jù)圖像顯示設備的規(guī)格來確定。例如，像素 (虛DU象素)的具體凄t目是320x240、 432x240、 640x480、 1024x768 或1920x1080。當光源包括紅色發(fā)光元件、綠色發(fā)光元件和藍色發(fā) 光元件時，例如，優(yōu)選的是，使用交叉棱鏡來執(zhí)行顏色合成。掃描 構件可以由具有在二維方向上可^走轉的樣史4竟的MEMS (樣t電子枳4戒 系統(tǒng))、或水平且垂直地掃描/人光源射出的光的電流計4竟形成。中 繼光學系統(tǒng)可以由現(xiàn)有才支術的中繼光學系統(tǒng)形成。
除包括發(fā)光元件和光閥的成像裝置、或者包括用于總體上射出 白光的背光和具有紅色、綠色和藍色發(fā)光像素的液晶顯示器的組合 作為光源的成^f象裝置，可以癥會出以下這些結構作為實例。
成^象裝置A
成l象裝置A包括(a) 由第一發(fā)光面板形成的第一成像單元，其中，用于射出 藍光的第 一發(fā)光元件排列成二維矩陣；
(b) 由第二發(fā)光面板形成的第二成像單元，其中，用于射出 綠光的第二發(fā)光元件排列成二維矩陣；
(c) 由第三發(fā)光面板形成的第三成像單元，其中，用于射出 紅光的第三發(fā)光元件排列成二維矩陣；以及
(d) 合并單元，將/人第一成〗象單元、第二成〗象單元和第三成 像單元射出的光的光徑合并為一條光徑(例如，二向色棱鏡，這也 適用于以下描述)。
成像裝置A控制第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件和第三發(fā)光元件 中的每一個的發(fā)光/非發(fā)光狀態(tài)。
成^f象裝置B
成^f象裝置B包才舌
(a) 第一成像單元，包括用于射出藍光的第一發(fā)光元件以及 用于控制從第一發(fā)光元件射出的藍光的透射/非透射的第一透光控 制單元(第一透光控制單元是一種光閥，并包括例如液晶顯示器、 凄史字孩"竟器件(DMD)和LCOS,這也適應于以下描述)；
(b) 第二成像單元，包括用于射出綠光的第二發(fā)光元件以及 用于控制從第二發(fā)光元件射出的綠光的透射/非透射的第二透光控 制單元(光閥)；
22(C)第三成像單元，包括用于射出紅光的第三發(fā)光元件以及 用于控制從第三發(fā)光元件射出的紅光的透射/非透射的第三透光控
制單元(光閥)；以及
(d)合并單元，將通過第一透光控制單元、第二透光控制單 元和第三透光控制單元的光的光徑合并為一條光徑。
成葉象裝置B通過透光控制單元控制從發(fā)光元件射出的光的透 過/非透射來顯示圖像。作為用于將從第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件 和第三發(fā)光元件射出的光導向透光控制單元的裝置(導光構件)， 例如，可以使用光波導、微透鏡陣列、反射鏡、反射板或聚光透鏡。
成4象裝置C
成^f象裝置C包括
(a) 第一成像單元，包括用于射出藍光的第一發(fā)光元件排列 成二維矩陣的第一發(fā)光面板以及控制從第一發(fā)光面板射出的藍光
的透射/非透射的藍光透射控制單元(光閥)；
(b) 第二成〗象單元，包4舌用于射出綠光的第二發(fā)光元件排列 成二維矩陣的第二發(fā)光面板以及控制從第二發(fā)光面板射出的綠光 的透射/非透射的綠光透射控制單元(光閥)；
(c) 第三成像單元，包括用于射出紅光的第三發(fā)光元件排列 成二維矩陣的第三發(fā)光面板以及控制從第三發(fā)光面板射出的紅光 的透射/非透射的紅光透射控制單元(光閥)；以及
(d) 合并單元，將通過藍光透射控制單元、綠光透射控制單 元和紅光透射控制單元的光的光徑合并為一條光徑。
23成像裝置C通過透光控制單元(光閥)控制從第一發(fā)光面板、 第二發(fā)光面板和第三發(fā)光面板射出的光的透射/非透射來顯示圖像。
成<象裝置D
成像裝置D是場序型彩色顯示成像裝置。該成像裝置D包括
(a) 第一成^f象單元，包括用于射出藍光的第一發(fā)光元件；
(b) 第二成像單元，包括用于射出綠光的第二發(fā)光元件；
(c) 第三成像單元，包括用于射出紅光的第三發(fā)光元件；
(d) 合并單元，將乂人第一成^f象單元、第二成4象單元和第三成 《象單元射出的光的光徑組合為一條光徑；以及
(e) 透光控制單元(光閥)，控制從合并單元射出的光的透射
/非透射。
成像裝置D通過透光控制單元控制從這些發(fā)光元件射出的光 的透射/非透射來顯示圖像。
成4象裝置E
成像裝置E也是場序型彩色顯示成像裝置。該成像裝置E包括
(a) 第一成像單元，包括第一發(fā)光面板，其中，用于射出藍 光的第一發(fā)光元件排列成二維矩陣；
(b) 第二成像單元，包括第二發(fā)光面板，其中，用于射出綠 光的第二發(fā)光元件排列成二維矩陣；(C)第三成像單元，包括第三發(fā)光面板，其中，用于射出紅
光的第三發(fā)光元件排列成二維矩陣；
(d) 合并單元，將/人第一成^象單元、第二成〗象單元和第三成 1象單元射出的光的光徑合并為一條光徑；以及
(e) 透光控制單元(光閥)，控制從合并單元射出的光的透射
/非透射。
成像裝置E通過透光控制單元控制從這些發(fā)光面板射出的光 的透射/非透射來顯示圖像。
成^f象裝置F
成像裝置F是有源或無源矩陣型彩色顯示成像裝置，該裝置通 過控制第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件和第三發(fā)光元件的發(fā)光/非發(fā)光 狀態(tài)來顯示圖^f象。
成<象裝置G
成像裝置G是場序型彩色顯示成像裝置。成像裝置G包括透 光控制單元(光閥)，控制從排列成二維矩陣的發(fā)光元件單元射出 的光的透射/非透射。成〗象裝置G通過以時分方式控制發(fā)光元件單 元中第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件和第三發(fā)光元件的發(fā)光/非發(fā)光狀 態(tài)，并且通過透光控制單元控制乂人第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元和第 三發(fā)光元件射出的光的透射/非透射來顯示圖^f象。
在根據(jù)本發(fā)明上述實施例的圖像顯示設備中，如上所述，第一 偏轉構件起到反射鏡的作用，以及第二偏轉構件起到半透鏡的作 用。在這種配置中，例如，第一偏轉構件可以由利用包括合金的金 屬所制成并被配置為使入射到導光板上的光反射的反光膜(一種反
25射鏡)形成，或者由用于使入射到導光板上的光衍射的衍射光柵(例 如，全息衍射光柵膜)形成。第二偏轉構件可以由多個介質膜被堆 疊的多層結構、半透明反射鏡、偏振分束器或全息衍射光柵膜形成。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的圖像顯示設備中，第一偏轉構件和第二 偏轉構件被設置(并入)在導光板中。第一偏轉構件使入射到導光 板上的平行光反射或衍射，使得入射的平行光在導光板中被完全反 射。相反，第二偏轉構件使通過全反射在導光板中傳播的平行光反 射或衍射多次，并且使平行光從導光板射出。
在才艮據(jù)本發(fā)明實施例的圖^f象顯示i殳備中，如上所述，第一偏轉 構件和第二偏轉構件中的每一個都優(yōu)選地由反射型衍射光柵元件
(更優(yōu)選地，反射體積全息書t射光斥冊)形成。為了方i"更，由反射體 積全息衍射光柵形成的第 一偏轉構件有時被稱作"第 一衍射光柵構 件，，，以及由反射體積全息衍射光柵形成的第二偏轉構件有時被稱 作"第二衍射光柵構件"。
為了^f吏具有P個不同波，歐(或波長)的P種(例如，對應于紅 色、綠色和藍色的三種)光束衍射或反射，在第一衍射光柵構件或 第二衍射光柵構件中，每一個均由反射體積全息衍射光柵形成的P 個衍射光柵層可以被堆疊。每個衍射光柵層設置有對應于一個波段 (或波長)的干涉條紋?？蛇x地，為了使具有P個不同波段(或波 長)的P種光束衍射或反射，第一衍射光柵構件或第二衍射光柵構 件可以由設置有P種干涉條紋的一個衍射光柵層形成。另外，可選
地，例如，^L角可以3皮分為三個部分，并且第一衍射光才冊構件或第 二衍射光柵構件可以通過堆疊對應于視角的這些部分的多個衍射 光柵層來形成。通過采用這些結構，當具有這些波^敬(或波長)的 光束被第 一衍射光柵構件或第二衍射光柵構件衍射或反射時，可以 增大衍射效率以及可接受的衍射角并且最優(yōu)化該衍射角。例如，第一衍射光柵構件和第二衍射光柵構件可以由光聚合 物材料形成。由反射體積全息衍射光柵形成的第 一衍射光柵構件和 第二^汙射光斥冊構件的材津+和基本結構可以與現(xiàn)有^支術的反射體積 全息衍射光柵的材料與基本結構相同。這里，反射體積全息衍射光 柵是指僅使+1階衍射光衍射和折射的全息衍射光柵。當衍射光柵構 件設置有從衍射光柵構件的內側延伸到其外側的干涉條紋時，干涉 條紋的形成方法可以與現(xiàn)有4支術中所采用的方法相同。更具體i也， 例如，形成衍射光柵構件的材料(例如，光聚合物材料)在第一預 定方向上用物體光照射，并且同時在第二預定方向上用參考光照 射，從而物體光和參考光在形成衍射光柵構件的材料中形成干涉條 紋。通過適當?shù)剡x擇第一預定方向、第二預定方向以及物體光和參 考光的波長，這些干涉條紋能夠以理想傾斜角和以理想間距排列在 衍射光柵構件的表面上。這里，干涉條紋的傾斜角是指形成在衍射 光柵構件(或衍射光柵層)的表面與干涉條紋之間的角。當?shù)?一衍 射光柵構件和第二衍射光柵構件被形成為具有每層由反射體積全 息衍射光柵形成的P個衍射光柵層被堆疊的分層結構時，P個衍射 光柵層被分別形成，并且然后用例如紫外線固化樹脂粘合劑堆疊 (4妄合)。可選地，P個書于射光4冊層可以通過形成一個粘合光聚合物 材料的衍射光柵層、然后順序地將多個粘合光聚合物材料的層接合 在其上的而形成。
在才艮據(jù)上述實施例的圖〗象顯示i殳備中，^吏經準直光學系統(tǒng)準直 的多個平行光束進入導光板。光束成為平行光束的原因是基于以下
事實即使在這些光束經由第 一偏轉構件和第二偏轉構件從導光外反 射出后，當這些光束進入導光板時所獲得的波前信息也能被存儲。 為了產生多個平行光束，例如，成像裝置被放置在對應于準直光學 系統(tǒng)的焦距的位置處。這里，準直光學系統(tǒng)用于將像素的位置信息 轉換成光學裝置的光學系統(tǒng)的角度信息。在根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖像顯示設備中，導光板具有平行于
導光纟反的軸線(Y方向)延伸的兩個平4于表面(第一表面和第二表 面)。假設導光板的一個表面(光入射到該表面上)是入射面，并 且導光4反的一個表面(光/人該表面射出)是出射面，則入射面和出 射面可以由第一表面限定，或者入射面可以由第一表面限定并且出 射面可以由第二表面限定。
例如，導光板可以由包括光學玻璃(諸如石英玻璃或BK7 )的 玻璃材料、或塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸樹脂、丙烯酸樹脂、 無定形聚丙烯樹脂或包括AS樹脂的苯乙烯樹脂)形成。導光板并 不限于平々反，并且可以;陂彎曲。
例如，準直光學系統(tǒng)可以由整體上具有正光功率(optical power)并包括凸透鏡、凹透鏡、可調整表面棱鏡、或全息透鏡單 獨形成或由它們組合而成。
例如，可以使用根據(jù)本發(fā)明的任一實施例的圖像顯示設備來形 成更輕且更小的HMD。在這種情況下，可以大大F爭4氐戴HMD的 只見察者的不適感，并且可以減少制造成本。
實施例1
圖1是下面將描述的根據(jù)實施例1的圖像顯示設備100或根據(jù) 實施例3的圖像顯示設備300的概念圖。參見圖1,圖像顯示設備 100或300包4舌
(A) 成像裝置lll，包括排列成二維矩陣的多個像素；
(B) 準直光學系統(tǒng)112，將/人成^f象裝置111中的4象素射出的光 專爭才奐為平4于光；以及
28(C )光學裝置120或320，平4亍光乂人準直光學系統(tǒng)112入射到 該光學裝置上，在該光學裝置中，平行光被引導，并且平行光從其
中射出。
在實施例1中，光學裝置120包括
(a) 導光板121，入射光在通過全反射在導光板121中傳播后 從該導光板射出；
(b) 第一偏轉構件130，使入射到導光板121上的光偏轉，4吏 得入射光在導光4反121中^皮完全反射；以及
(c )第二偏轉構件140，使通過全反射在導光板121中傳播的 光偏轉多次，以使該光從導光板121射出。
第一偏轉構件130和第二偏轉構件14(H皮i殳置在導光才反121中。 第一偏轉構件130使入射到導光板121上的光反射，第二偏轉構件 140使通過全反射在導光板121中傳播的光透射并反射多次。換言 之，第一偏轉構件130起到反射鏡的作用，而第二偏轉構件140起 到半透鏡的作用。更具體地，設置在導光板121中的第一偏轉構件 130通過由鋁制成的反光膜(一種反射鏡)形成，并且被配置反射 入射到導光4反121上的光。相反，i殳置在導光才反121中的第二偏砵爭 構件140由多個介質膜被堆疊的分層結構形成。這些介質膜包括(例 如)由高介電常數(shù)材料制成的Ti02膜以及由低介電常數(shù)材料制成的 S i02膜。多個介質膜被堆疊的分層結構在日本未審查專利申請公開 (PCT申請的i奪文)第2005-521099號中被披露。雖然在圖中示出 了六個介質膜，但介質膜的數(shù)目并不限于此。由與導光板121的材 料相同的材料制成的薄片被設置在這些介質膜之間。第一偏轉構件 130使入射到導光板121上的平行光反射(或衍射)，使得入射光在 導光板121中被完全反射。相反，第二偏轉構件140使通過全反射
29在導光板121中傳播的平行光反射(或衍射)多次，并且使平行光從導光板121射出。
通過切掉導光板121的部分124來在導光^反121中形成將^皮形成第一偏轉構件130的#}"面，反光膜通過真空沉積#皮形成在斜面上，然后將導光板121的切除部分124接合至第一偏轉構件130。另外，形成由與導光板121的材料相同的材料(例如，玻璃)制成的多層以及多個介質膜(例如，通過真空沉積形成)；故堆疊的分層結構，通過切掉導光纟反121的部分125而形成將被形成第二偏轉構件140的斜面，該分層結構祐j妾合至該在牛面，并且第二偏轉構件140的導光氺反121的外部通過例如拋光而成形。因此，可以獲得i殳置有第一偏轉構件130和第二偏轉構件140的導光裝置120。
在下面描述的實施例1或實施例3中，成像裝置111包括反射型空間光調制器150和由射出白光的發(fā)光二才及管形成的光源153。更具體地，反射型空間光調制器150包括由用作光閥的LCOS形成的液晶顯示器(LCD) 151和偏振分束器152，該偏振分束器4吏來自光源153的一部分光反射到液晶顯示器151并佳:;故液晶顯示器151反射的一部分光透射，以將所反射的部分引導到準直光學系統(tǒng)112。液晶顯示器151包括排列成二維矩陣的多個(例如，320x240)^象素(液晶單元)。偏纟展光分束器152具有與現(xiàn)有才支術的偏振分束器相同的結構。從光源153射出的非偏振光撞擊到偏振分束器152上。P偏振光分量通過偏振分束器152并從其射出。相反，S偏振光分量^皮偏l展分束器152反射，進入液晶顯示器151, ^皮液晶顯示器151的內側反射，并4姿著/人液晶顯示器151射出。這里，在從液晶顯示器151射出的光中從用于顯示白色的像素射出的光包含許多P偏振光分量，而從用于顯示黑色的像素射出的光包括許多S偏振光分量。因此，從液晶顯示器151射出并撞擊到偏振分束器152上的光中的P偏振光分量通過偏振分束器152并^皮導向準直光學系統(tǒng)112。相反，S偏振光分量被偏振分束器152反射，并且返回至光源153。液晶顯示器151包括排列成二維矩陣的多個(例如，320x240個)像素(液晶單元的數(shù)目是像素數(shù)目的三倍)。準直光學系統(tǒng)112由例如凸透鏡形成。為了產生平行光，成像裝置lll(具體地，液晶顯示器151 W皮;改置在對應于準直光學系統(tǒng)112的焦距的位置處。一個像素由用于射出紅光的紅色發(fā)光子像素、用于射出綠光的綠色發(fā)光子像素、以及用于射出藍光的藍色發(fā)光子像素限定。
在下面描述的實施例1或實施例2至4中，由光學J皮璃或塑剩-材料制成的導光板121或321具有平行于導光板121或321的軸線延伸的兩個平行表面(第一表面122或322以及第二表面123或323 )。第一表面122或322面向第二表面123或323。平4亍光乂人用作光入射面的第一表面122或322進入，通過全反射在導光板121或321中傳播，并且從還用作光出射面的第一表面122或322射出?？蛇x地，光入射面可以由第二表面123或323限定，并且光出射面可以由第一表面122或322限定。
在下面描述的實施例1或實施例2至4中，導光板121或321的軸線方向是Y方向，導光板121或321的法線方向是X方向，
mm)表示入射到導光才反121或321上的光束在Y方向上的寬度(即，在實施例1或3中的準直光學系統(tǒng)的出射瞳孔直4圣，在實施例2或4中的中繼光學系統(tǒng)的出射瞳孔直徑)，t(單位mm)表示導光板121或321的厚度，以及e表示在導光板121或321中被完全反射的光在導光板的內表面上的入射角。
在實施例1中，/人至少一個^象素射出的具有一種波長的光滿足以下條4牛
2t.sine _ 2 S WY S 2t.sin9+2 (1)
31參見用作概念圖的圖2,入射到導光板121上并在Y方向上具有寬度Wy的光束被第一偏轉構件(反光膜)130反射，并且在祐:完全反射的同時在導光板121中傳播。在這種情況下，通過設定參數(shù)(諸如，入射到導光板上的光束在Y方向上的寬度WY、導光板
入射角e)以滿足傳播光束沒有重疊并且無間隔地填充導光板121的條件，已參照圖13描述的現(xiàn)象沒有發(fā)生。
當在Y方向上具有寬度WY的光束重復在導光板121中全反射時，光束的寬度沒有變化，而使固定于Wy。假設Ds(單位mm)表示當光被導光板121的笫一表面122的內表面完全反射、被第二表面123的內表面完全反射、并4皮第一表面122的內表面再次完全反射時光4亍進的距離，當Wy和Ds具有如用作扭克念圖的圖2所示由以下表達式(3 )給出的關系時，上述條件被滿足。另外，t、 e和Ds具有以下表達式(4)給出的關系。從表達式(3)和(4) 4,導出表達式(5):
Ds = WY/cose (3)
Ds = 2t.tane (4)
WY = 2t'sine (5)
因此，當滿足表達式(5)時，通過全反射在導光板121中傳牙番的光束在導光4反121中沒有重疊，并且無間隔地J真充導光板121。因此，即佳J見察者的眼睛10在Y方向上移動，圖13中所示的現(xiàn)象也不會發(fā)生，并且圖像亮度不會迅速變化。換言之，不管觀察者的眼睛10所在的區(qū)域，從準直光學系統(tǒng)112射出的光最終到達眼睛10，并且在由圖像顯示設備100顯示的圖像中，由于觀察者的眼睛
32的位置極少引起亮度不均勻和色彩不均勻。為此，可以提供實現(xiàn)高顯示質量的圖像顯示設備。
已知^L察者的眼睛所感覺到的光的亮度與照度(luminance) A的對數(shù)(log(A))是成比例的，并且特別是當觀看諸如顯示器的明亮物體時，觀察者對亮度變化并不敏感。另外，當觀看諸如顯示器的明亮物體時，人的瞳孔直徑通常為約4 mm。因此，通過經驗已知，即4吏當在/人導光^反射出的光束之間在Y方向上存在約2 mm的間隙時，或者即使當在這些光束之間存在約2 mm的重疊部分時，觀察者在視覺上也不會意識到大的亮度變化。因此，表達式(5)中的等號可以被增加到在表達式(1)中的范圍。
包括滿足在表達式(1)中的上限和下限的光學裝置的圖像顯示設備實際上通過試驗的方式被制造，并觀察由圖像顯示設備顯示的圖像。作為觀察的結果，沒有發(fā)現(xiàn)由于觀察者眼睛的位置在顯示圖像中引起亮度不均勻和色彩不均勻。
實施例2
圖3是根據(jù)下面描述的實施例2的圖像顯示設備200或實施例4的圖像顯示設備400的概念圖。參見圖3,圖像顯示設備200或400包括
(A) 光源251;
(B) 準直光學系統(tǒng)252，將從光源251射出的光轉換為平4亍
光；
(C) 掃描構件253,對乂人準直光學系統(tǒng)252射出的平行光進行掃描；(D) 中繼光學系統(tǒng)254，對經掃描構件253掃描的平行光進 4亍中繼；以及
(E) 光學裝置120,平行光從中繼光學系統(tǒng)254入射到該光學 裝置上，在該光學裝置中，平行光被引導，并且平行光從其射出。
光學裝置120具有與實施例1中的光學裝置120的結構相同的 結構，并且入射到光學裝置120上的光以與實施例1中所釆用的方 式類似的方式表現(xiàn)并滿足表達式(1 )。因此，省略了對其的詳細4苗述。
光源251包括用于射出紅光的紅色發(fā)光元件251R、用于射出 綠光的綠色發(fā)光元件251G以及用于射出藍光的藍色發(fā)光元件 251B。每個發(fā)光元件都由半導體激光元件形成。乂人光源251射出的 三種原色的光束通過交叉棱鏡255,其中，它們的光徑通過彩色合 成被合并為一條光徑。從交叉棱鏡255射出的光進入總體上具有正 的光功率的準直光學系統(tǒng)252，并且作為平行光4皮射出。平行光一皮 全反射鏡256反射，經由MEMS (其在二維方向上旋轉微鏡以二維 地掃描入射的平4于光)形成的掃描構件253水平且垂直地掃描，并 -故轉換為一種二維圖^象，從而產生虛擬像素。來自虛擬^象素的光通 過由現(xiàn)有技術的中繼光學系統(tǒng)形成的中繼光學系統(tǒng)254,并且作為 平4亍光進入導光裝置120。
在實施例2中，包括滿足表達式(1)中的上限和下限的光學 裝置的圖像顯示設備實際上通過試驗的方式被制造，并觀察由圖^f象 顯示設備顯示的圖像。作為觀察結果，沒有發(fā)現(xiàn)由于觀察者眼睛的 位置在顯示圖像中引起亮度不均勻和色彩不均勻。+
34實施例3
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的實施例3的圖像顯示設備300的概念圖。 在實施例3的圖像顯示設備300中，成像裝置111和準直光學系統(tǒng) 112具有與實施例1的成^f象裝置111和準直光學系鄉(xiāng)充112的結構片目 同的結構。另外，除第一偏轉構件和第二偏轉構件的結構之外，光 學裝置320具有與實施例1的光學裝置120的基本結構相同的基本 結構。即，光學裝置320包4舌
(a )導光板321,入射光在通過全反射在導光板321中傳播后 乂人該導光才反射出；
(b) 第一偏轉構件，使入射到導光板321上的光偏轉，使得 入射光在導光玲反321中^皮完全反射；以及
(c) 第二偏轉構件，使通過全反射在導光板321中傳播的光 偏轉多次，以從導光板321射出光。
在實施例3中，第一偏轉構件和第二偏轉構件^^殳置在導光4反 321的表面上(具體地，導光板321的第二表面323)。第一偏轉構 件使入射到導光板321上的光衍射，而第二偏轉構件使通過全反射 在導光板321中傳播的光衍射多次。第一偏轉構件和第二偏轉構件 中的每一個都由衍射光柵元件(具體地，反射型衍射光柵元件，更 具體地，反射體積全息衍射光柵)形成。在以下描述中，為了方便， 由反射體積全息衍射光柵形成的第 一偏轉構件:故稱作"第 一衍射光 柵構件330",以及由反射體積全息衍射光柵形成的第二偏轉構件祐二 稱作"第二衍射光柵構件340"。
在下面描述的實施例3或實施例4中，在第一衍射光一冊構件300 和第二衍射光柵構件340中的每一個中，P個衍射光柵層(每一層
35都由反射體積全息衍射光柵形成)一皮堆疊以應對具有P個(具體;也， 對應于紅色、綠色和藍色的三個)不同波段(或波長)的P種類型 光束的衍射和反射。每個衍射光柵層都是通過與現(xiàn)有技術的方法相 同的方法由光聚合物材料形成，并設置有對應于一個波段(或波長)
的干涉條紋。具體地，在第一衍射光柵構件330和第二衍射光柵構 件340的每一個中，用于使紅光衍射和反射的衍射光柵層、用于使 綠光衍射和反射的衍射光柵層以及用于使藍光衍射和反射的衍射 光柵層被堆疊。這些衍射光柵層(衍射光學元件)上的干涉條紋以 固定間距并平4亍于Z軸方向線性地延伸。在圖4A和圖7中，第一 衍射光斥冊構件330和第二衍射光沖冊構件340均《又由一層形成。當具 有這些波段(或波長)的光束被第一衍射光柵構件330和第二衍射 光柵構件340衍射和反射時，這種結構可以增力o衍射效率和可接受 的衍射角，并且可以使衍射角最佳化。
圖4B是反射體積全息衍射光柵的放大的部分截面示意圖。反 射體積全息衍射光柵被設置有具有傾斜角小的干涉條紋。這里，傾 斜角小指的是形成在反射體積全息衍射光柵的表面與干涉條紋之間 的角。干涉條紋被設置為從反射體積全息衍射光柵的內側延伸到其 外側，并且滿足布拉格(Bragg)條件。布拉格條件滿足以下表達 式A。在表達式A中，m是正整數(shù)，X表示波長，d表示光柵表面 的間距(在法線方向上包括干涉條紋的虛擬平面之間的距離)， 表 示干涉條紋上的入射角的補角。當光以入射角Vj/進入書f射光4冊構^f牛 時，補角 、傾斜角(j)以及入射角vi/具有由表達式B給出的關系
m-人=2d.sin0 (A)
= 90。 _ (B)
如上所述，第一衍射光柵構件330被設置(被接合)在導光板 321的第二表面323上，并4吏從第一表面322入射到導光板321上
36的平行光衍射和反射，使得入射的平行光在導光板321中被完全反 射。另外，第二衍射光柵構件340被設置(被接合)在導光板321 的第二表面323上。第二衍射光4冊構件340使通過全反射在導光斧反 321中傳一番的平^f亍光4汙射和反射多次，并通過第一表面322 乂人導光 板321射出平行光。可選地，光入射面可以由第二表面323限定， 以及光出射面可以由第一表面322限定。
三色(紅色、綠色和藍色)的平行光束還通過全反射在導光才反 321中傳播，然后被射出。在這種情況下，由于導光板321薄并且 導光^反321中的光徑長，所以這些光束到達第二書f射光4冊構件340 所進行的全反射的次數(shù)根據(jù)視角而變化。更具體地，在入射到導光 板321上的平行光之中以達到接近第二衍射光柵構件340的程度的 角度入射的平行光的反射次數(shù)小于以達到遠離第二衍射光柵構件 340的程度的角度入射到導光板321上的平行光的反射次數(shù)。這是 因為當在導光板321中傳播的光撞擊到導光板321上的內表面時， 平行光(其被第一衍射光柵構件330衍射和反射并且以達到接近第 二衍射光柵構件340的程度的角度入射到導光板321上)與在相反 方向上以該角度入射到導光板321上的平行光相比正交于導光板 321形成了更小的角。設置在第二衍射光柵構件340中的干涉條紋 的形狀以及設置在第一衍射光柵構件330中的干涉條紋的形狀關于 垂直于導光纟反321的軸線的虛平面對稱。
在下述的實施例4中的導光+反321基本上具有與上述導光4反 321的結構相同的結構。
實施例3的圖像顯示設備滿足以下條件
2t他e - 2 S WY S 2t.tane+2 (2)
37參照用作相克念圖的圖5,入射到導光寺反321上并在Y方向上具 有寬度WY的光束被第 一偏轉構件330衍射或反射，并且在導光板 321中傳播同時被完全反射。在這種情況下，通過設定參數(shù)(諸如， 入射到導光板上的光束在Y方向上的寬度WY、導光板的厚度t以
以滿足傳4番的光束沒有重疊并且無間隔地i真充導光才反121的條件， 已參照圖14描述的現(xiàn)象沒有發(fā)生。
假定Ds'(單位mm )表示在光被第 一衍射光柵構件330衍射 或反射一次、被導光板321完全反射并被導光板321再次完全反射 時行進的距離，則當Wy和Ds'具有由以下表達式(6)給出的關系 時，滿足上述條件
Ds' = 2t.tane (6)
因此，當滿足表達式(6)時，通過全反射在導光4反321中傳 才番的光束在導光才反121中沒有重疊，并且無間隔地」真充導光才反321。 因此，即佳J現(xiàn)察者的眼睛10在Y方向上移動，圖14中示出的現(xiàn)象 也不會發(fā)生，并且圖像亮度不會快速變化。換言之，不考慮觀察者 的眼睛10所在的區(qū)域，乂人準直光學系統(tǒng)312射出的光最終到達眼 睛10，并且在圖像顯示設備300所顯示的圖像中，由于觀察者的眼 睛的位置才及少引起亮度不均勻和色彩不均勻。為此，可以^是供實現(xiàn) 高顯示質量的圖4象顯示i殳備。
如上所述，通過經驗已知，即使當在從導光板射出的光束之間 在Y方向上存在約2 mm的間隙時，或者即使當在這些光束之間存 在約2 mm的重疊部分時，觀察者在視覺上也不會覺察到大的亮度 變化。因此，在表達式(6)中的等號可以被增加到在表達式(2) 中的范圍。由于相同的原因，下面描述的表達式(7)中的等號可 以-故增加到表達式(8)中的范圍。包括滿足表達式(2)中的上限和下限的光學裝置的圖^f象顯示 設備實際上通過試驗的方式被制造，并觀察由圖像顯示設備顯示的 圖像。作為觀察結果，沒有發(fā)現(xiàn)由于觀察者眼睛的位置在顯示圖像 中引起亮度不均勻和色彩不均勻。圖6是示出觀察者戴著兩個根據(jù) 實施例3的圖像顯示設備的情況的概念圖。
為了滿足通過全反射在導光板321中傳播的光在導光板321中 沒有重疊并無間隔地填充導光板321的條件，更優(yōu)選地，被第一衍 射光4冊構件330書f射或反射一次并且在導光4反321中^皮完全反射的 光沒有再次進入第一衍射光柵構件330。換言之，更優(yōu)選地，滿足 以下條4牛
Lh-i = 2t'tane (7)
其中，LfM(單位mm)表示第一偏轉構件330在Y方向上的有效 長度。如上所述，表達式(7)中的等號可以被增加到以下表達式 (8)中的范圍
2t.tan6 - 2 S LH—j S 2t.tan9+2 (8)
實施例4
圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例4的圖像顯示設備的概念圖。在實 施例4的圖像顯示設備400中，光源251、準直光學系統(tǒng)252、掃 描構件253、中繼光學系統(tǒng)254等具有與實施例2中所采用的那些 相同的結構。另夕卜，光學裝置320具有與實施例3中的光學裝置320 的結構相同的結構。入射到光學裝置320上的光以類似于實施例3 中采用的方式表現(xiàn)。
在實施例4中，包括滿足在表達式(2)中的上限和下限的光 學裝置的圖^f象顯示i殳備實際上通過試-瞼的方式^皮制造，并觀察由圖
39像顯示設備顯示的圖像。作為觀察結果，沒有發(fā)現(xiàn)由于觀察者的眼 睛的位置在顯示圖像中引起亮度不均勻和色彩不均勻。
雖然以上已參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但它不限于這些實 施例。實施例中的圖像顯示設備的配置僅是示例性的，并且可以被
適當?shù)馗淖?。例如，在實施?或4的光學裝置中，由透射型全息 圖形成的第一偏專爭構4?？梢缘v 沒置在導光玲反321的第一表面322 上，并且由反射型全息圖形成的第二偏轉構件可以被設置在第二表 面323上。在這個結構中，入射到第一偏轉構件的光被衍射，在導 光板中滿足全反射條件，并且傳播到第二偏轉構件。然后，光被第 二偏轉構件衍射或反射，并且從導光板射出。另外，在實施例3或 4的光學裝置中，每一個書f射光4冊元件都可以由透射型書1"射光4冊元 件形成。可選地，第一偏轉構件和第二偏轉構件之一可以由反射型 書亍射光4冊元件形成，而另一個可以由透射型4汙射光斥冊元件形成。另 外，可選地，衍射光4冊元件可以由反射型炫耀衍射光4冊元件或表面 浮雕全息圖形成。
作為適用于實施例1或3的成4象裝置的變型例，例如，采用用 作概念圖的圖8所示的有源矩陣成像裝置。該成像裝置由半導體發(fā) 光元件501排列成二維矩陣的發(fā)光面^反形成，并通過控制每個發(fā)光 元件501的發(fā)光/非發(fā)光的狀態(tài)來顯示圖〗象，^吏得發(fā)光元件501的狀 態(tài)是直接可見的。乂人成4象裝置射出的光經由準直光學系統(tǒng)112進入 裝置121或321。
可選地，可以使用作為概念圖的圖9中所示的彩色顯示成像裝 置。該成4象裝置包括
(a)紅色發(fā)光面板511R，其中，用于射出紅光的紅色發(fā)光元 件501R排列成二維矩陣；
40(b) 綠色發(fā)光面板511G,其中，用于射出綠光的綠色發(fā)光元 件501G排列成二維矩陣；
(c) 藍色發(fā)光面板511B,其中，用于射出藍光的藍色發(fā)光元 件501B排列成二維矩陣；以及
(d) 合并單元，將從紅色發(fā)光面板511R、綠色發(fā)光面板511G 和藍色發(fā)光板511B射出的光束的這些光徑合并為一條光徑(例如， 二向色棱4竟503)。
紅色發(fā)光元件501R、綠色發(fā)光元件501G和藍光發(fā)射元件501B 的發(fā)光/非發(fā)光狀態(tài)#1獨立地控制。乂人該成^f象裝置射出的光經由準直 光學系統(tǒng)112也進入導光才反121或321。圖9中的參考標號512表 示用于會聚從這些發(fā)光元件射出的光的微鏡。
圖10是包括發(fā)光元件501R、 501G和501B排列成二維矩陣的 發(fā)光面板511R、 511G和511B的另一個成像裝置的概念圖。從發(fā) 光面板511R、 511G和511B射出的光束在由透光控制單元504R、 504G和504B控制其透射/非透射之后進入二向色棱4竟503。這些光 束的光徑由二向色棱4竟503合并為一條光徑，并且這些光束然后經 由準直光學系統(tǒng)112進入導光才反121或321。
圖11是包括發(fā)光元件501R、 501G和501B排列成二維矩陣的 發(fā)光面板511R、 511G和511B的又一個成像裝置的概念圖。從發(fā) 光面板511R、 511G和511B射出的光束進入二向色棱4竟503,其中， 這些光束的光徑被合并為一條光徑。從二向色棱鏡503射出的光的 透射/非透射由透光控制單元504控制，該光然后經由準直光學系統(tǒng) 112進入導光板121或321。
41可選地，可以^吏用如圖12所示的成〗象裝置。該成4象裝置包4舌 用于射出紅光的發(fā)光元件501R、用于控制/人發(fā)光元件501R射出的 紅光的透射/非透射的作為一種光閥的透光控制單元(例如，液晶顯 示器504R)、用于射出綠光的發(fā)光元件501G、用于控制乂人發(fā)光元 件501G射出的綠光的透射/非透射)的作為一種光閥的透光控制單 元(例如，液晶顯示器504G)、用于射出藍光的發(fā)光元件501B、 用于控制從發(fā)光元件501B射出的藍光的透射/非透射的透光控制單 元(例如，液晶顯示器504B)、用于引導從發(fā)光元件501R、 501G 和501B射出的光的導光構件502以及用于將這些光的光徑合并為 一條光徑的合并單元(例如，二向色棱鏡503)。發(fā)光元件501R、 501G和501B均由GaN半導體形成。
本領域的技術人員應理解，才艮據(jù)設計要求和其他因素，可以進
行多種變型、組合、再組合和改進，均應包含在本發(fā)明的權利要求 或其等同物的范圍之內。
權利要求
1.一種圖像顯示設備，包括(A)成像裝置，包括排列成二維矩陣的多個像素；(B)準直光學系統(tǒng)，被配置為將從所述成像裝置的每個像素射出的光轉換為平行光；以及(C)光學裝置，所述平行光從所述準直光學系統(tǒng)入射到所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光被引導，并且所述平行光從所述準直光學系統(tǒng)射出，其中，所述光學裝置包括(a)導光板，入射光在通過全反射在所述導光板中傳播后從所述導光板射出，(b)第一偏轉裝置，被配置為使入射到所述導光板上的光偏轉，使得所述入射光在所述導光板中被完全反射，以及(c)第二偏轉裝置，被配置為使通過全反射在所述導光板中傳播的光偏轉多次，以使光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉裝置和所述第二偏轉裝置被設置在所述導光板中，并且其中，從至少一個像素射出的具有一種波長的光滿足以下條件2t·sinθ-2≤WY≤2t·sinθ+2其中，所述導光板的軸線方向是Y方向，所述導光板的法線方向是X方向，WY表示入射到所述導光板上的光在所述Y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及θ表示在所述導光板中被完全反射的光在所述導光板的內表面上的入射角。
2. 根據(jù)權利要求1所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏專爭裝置使入射到所述導光板上的光反射，并且所述第二偏轉裝置使 通過全反射在所述導光板中傳播的光透射并反射多次。
3. 根據(jù)權利要求2所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉裝 置起到反射鏡的作用，并且所述第二偏轉裝置起到半透鏡的作用。
4. 一種圖像顯示設備，包括(A) 光源；(B) 準直光學系統(tǒng)，被配置為將從所述光源射出的光轉 換為平行光；(C) 掃描裝置，；故配置為對從所述準直光學系統(tǒng)射出的 所述平行光進行掃描；(D) 中繼光學系統(tǒng)，-陂配置為對經所述掃描裝置掃描的 平4亍光進4亍中繼；以及(E) 光學裝置，來自所述中繼光學系統(tǒng)的所述平4亍光入 射到所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光4皮引導， 并且所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括(a) 導光板，入射光在通過全反射在所述導光板中傳播 后從所述導光板射出，(b) 第一偏轉裝置，被配置為使入射到所述導光板上的 光偏轉，^f吏得所述入射光在所述導光才反中^皮完全反射，以及(C)第二偏轉裝置，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉裝置和所述第二偏轉裝置被_沒置在 所述導光4反中，并且其中，從至少一個所述像素射出的具有一種波長的光滿足以下條4牛2t.sinQ - 2 S wy S 2t'sin6+2其中，所述導光板的軸線方向是y方向，所述導光々反的 法線方向是x方向，wy表示入射到所述導光板上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
5.根據(jù)權利要求4所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉裝 置使入射到所述導光板上的光反射，并且所述第二偏轉裝置使 通過全反射在所述導光板中傳播的光透射并反射多次。
6. 根據(jù)權利要求5所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉裝 置起到反射鏡的作用，以及所述第二偏轉裝置起到半透鏡的作 用。
7. —種圖像顯示設備，包括(a) 成像裝置，包括排列成二維矩陣的多個像素；(b) 準直光學系統(tǒng)，被配置為將從所述成像裝置中的每 個所述^f象素射出的光轉換為平行光；以及(c) 光學裝置，所述平行光從所述準直光學系統(tǒng)入射到 所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光被引導，并且 所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括(a) 導光板，入射光在通過全反射在所述導光板中傳播 后/人所述導光板射出，(b) 第一偏轉裝置，被配置為使入射到所述導光4反上的 光偏轉，^f吏得所述入射光在所述導光4反中^皮完全反射，以及(c) 第二偏轉裝置，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉裝置和第二偏轉裝置被設置在所述 導光纟反的表面上，并且其中，滿足以下條件2t.tan6 - 2 S WY S 2t.tanQ+2其中，所述導光玲反的軸線方向是y方向，所述導光玲反的法線方向是X方向，WY表示入射到所述導光板上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
8. 根據(jù)權利要求7所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉裝 置使入射到所述導光板上的光衍射，并且所述第二偏轉裝置使 通過全反射在所述導光板中傳 播的光衍射多次。
9. 根據(jù)權利要求8所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉裝 置和所述第二偏轉裝置由衍射光柵元件形成。
10. 根據(jù)權利要求9所述的圖像顯示設備，其中，所述衍射光4冊元 件是反射型衍射光柵元件。
11. 根據(jù)權利要求9所述的圖像顯示設備，其中，所述衍射光4冊元 件是透射型衍射光柵元件。
12. 根據(jù)權利要求9所述的圖像顯示設備，其中， 一個衍射光4冊元 件是反射型衍射光柵元件，以及另 一個衍射光柵元件是透射型 衍射光柵元件。
13. 根據(jù)權利要求9所述的圖像顯示設備，其中，滿足以下條件2t.tanQ - 2 S LH-i ^ 2t.tanQ+2其中，(單位mm)表示所述第一偏轉裝置在所述Y方 向上的有效長度。
14. 一種圖像顯示設備，包括(A) 光源；(B) 準直光學系統(tǒng)，；波配置為將從所述光源射出的光轉 換為平行光；(C) 掃描裝置，4皮配置為對從所述準直光學系統(tǒng)射出的 所述平行光進行掃描；(D) 中繼光學系統(tǒng)，被配置為對經所述掃描裝置掃描的 平行光進行中繼；以及(E) 光學裝置，來自所述中繼光學系統(tǒng)的所述平行光入 射到所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光被引導， 并且所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括(a)導光板，入射光在通過全反射在所述導光板中傳播 后/人所述導光板射出，(b)第一偏轉裝置，被配置為使入射到所述導光板上的 光偏轉，4吏得所述入射光在所述導光板中4皮完全反射，以及(C)第二偏轉裝置，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉裝置和所述第二偏轉裝置被設置在 所述導光板的表面上，并且其中，滿足以下條件<formula>formula see original document page 7</formula>其中，所述導光板的軸線方向是y方向，所述導光^反的法線方向是X方向，WY表示入射到所述導光4反上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
15. 根據(jù)權利要求14所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉 裝置使入射到所述導光板上的光衍射，并且所述第二偏轉裝置 使通過全反射在所述導光板中傳播的光衍射多次。
16. 根據(jù)權利要求15所述的圖像顯示設備，其中，所述第一偏轉 裝置和第二偏轉裝置由卩汙射光斥冊元件形成。
17. 根據(jù)權利要求16所述的圖像顯示設備，其中，所述衍射光柵 元件是反射型衍射光4冊元件。
18. 根據(jù)權利要求16所述的圖像顯示設備，其中，所述衍射光柵 元件是透射型書t射光4冊元件。
19. 根據(jù)權利要求16所述的圖像顯示設備，其中， 一個衍射光柵 元件是反射型衍射光柵元件，并且另 一個書f射光片冊元件是透射 型4汙射光4冊元件。
20. 根據(jù)權利要求16所述的圖像顯示設備，其中，滿足以下條件2t'tan0 - 2 S LH—! S 2t'tan9+2其中，Ljm (單位mm)表示所述第一偏轉裝置在所述Y方 向上的有效長度。
21. —種圖像顯示設備，包括(A) 成像裝置，包括排列成二維矩陣的多個像素；(B) 準直光學系統(tǒng)，3皮配置為將^v所述成^f象裝置的每個 像素射出的光轉換為平行光；以及(C) 光學裝置，該平行光從所述準直光學系統(tǒng)的入射到 所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光^L引導，并且 所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括(a) 導光板，入射光通過全反射在所述導光板中傳播后 /人所述導光^反射出，(b) 第一偏轉構件，被配置為使入射到所述導光板上的 光偏轉，使得所述入射光在所述導光板中被完全反射，以及(c) 第二偏轉構件，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉構件和所述第二偏轉構件被設置在 所述導光板中，并且其中，從至少一個所述像素射出的具有一種波長的光滿 足以下條4牛<formula>formula see original document page 9</formula>其中，所述導光板的軸線方向是y方向，所述導光才反的 法線方向是x方向，wy表示入射到所述導光板上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
22.—種圖像顯示設備，包括(a) 光源；(b) 準直光學系統(tǒng)，^皮配置為將/人所述光源射出的光轉 換為平行光；(C) 掃描構件，對從所述準直光學系統(tǒng)射出的所述平行 光進行掃描；(d) 中繼光學系統(tǒng)，；波配置為對經所述掃描構件掃描的 平行光進行中繼；以及(E) 光學裝置，來自所述中繼光學系統(tǒng)的所述平行光入 射到所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光被引導， 并且所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括U)導光板，入射光通過全反射在所述導光板中傳播后 /人所述導光板射出，(b) 第一偏轉構件，被配置為使入射到所述導光板上的 光偏轉，使得所述入射光在所述導光板中被完全反射，以及(c) 第二偏轉構件，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉構件和所述第二偏轉構件被設置在 所述導光^反中，并且其中，從至少一個所述像素射出的具有一種波長的光滿足以下條件2t.sin9 - 2 s WY s 2t.sin9+2其中，所述導光纟反的軸線方向是Y方向，所述導光4反的 法線方向是X方向，WY表示入射到所述導光板上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
23.—種圖像顯示設備，包括(a) 成像裝置，包括排列成二維矩陣的多個像素；(B) 準直光學系統(tǒng)，被配置為將從所述成像裝置中的每 個像素射出的光轉換為平行光；以及(c) 光學裝置，所述平行光從所述準直光學系統(tǒng)入射到 所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光被引導，并且 所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括(a) 導光板，入射光在通過全反射在所述導光板中傳播 后從所述導光板射出，(b) 第一偏轉構件，被配置為使入射到所述導光板上的 光偏轉，使得所述入射光在所述導光板中被完全反射，以及(c) 第二偏轉構件，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉構件和第二偏轉構件被設置在所述 導光板的表面上，并且其中，滿足以下條件 2t.tanQ - 2 S wy S 2t.tan9+2其中，所述導光纟反的軸線方向是y方向，所述導光^反的 法線方向是x方向，wy表示入射到所述導光纟反上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
24.—種圖像顯示i殳備，包括(A) 光源；(b) 準直光學系統(tǒng)，被配置為將從所述光源射出的光轉 換為平行光；(C) 掃描構件，對從所述準直光學系統(tǒng)射出的所述平行 光進行掃描；(d) 中繼光學系統(tǒng)，凈皮配置為對經所述掃描構件掃描的 平行光進行中繼；以及(E) 光學裝置，來自所述中繼光學系統(tǒng)的所述平行光入 射到所述光學裝置上，在所述光學裝置中所述平行光被引導， 并且所述平行光從所述光學裝置射出，其中，所述光學裝置包括(a) 導光板，所述入射光在通過全反射在所述導光板中 傳播后從所述導光板射出，(b) 第一偏轉構件，被配置為使入射到所述導光板上的 光偏轉，〗吏得所述入射光在所述導光4反中4皮完全反射，以及(C)第二偏轉構件，被配置為使通過全反射在所述導光 板中傳播的光偏轉多次，以使所述光從所述導光板射出，其中，所述第一偏轉構件和第二偏轉構件被設置在所述 導光板的表面上，并且其中，滿足以下條件2ttan9 - 2 S WY S 2t.tanQ+2其中，所述導光4反的軸線方向是y方向，所述導光沖反的 法線方向是X方向，WY表示入射到所述導光板上的光在所述y方向上的寬度，t表示所述導光板的厚度，以及e表示在所角
全文摘要
一種圖像顯示設備，包括成像裝置、準直光學系統(tǒng)和光學裝置。光學裝置包括導光板、使入射到導光板上的光偏轉的第一偏轉構件以及使通過全反射在導光板中傳播的光偏轉多次的第二偏轉構件。第一偏轉構件和第二偏轉構件被設置在導光板中。從至少一個像素射出的具有一種波長的光滿足以下條件2t·sinθ-2≤W_Y≤2t·sinθ+2；其中，導光板的軸線方向是Y方向，W_Y表示入射到導光板上的光在Y方向上的寬度，t表示導光板的厚度，以及θ表示全反射角。通過本發(fā)明，在由成像裝置等形成的二維圖像中很少觀察到亮度不均勻和色彩不均勻。
文檔編號G02B27/02GK101655606SQ20091016616
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權日2008年8月18日
發(fā)明者武川洋 申請人:索尼株式會社