CN104204905B - 图像显示设备、图像生成装置以及透射式空间光调制装置 - Google Patents

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Abstract

图像显示设备100包括：(A)图像生成装置111，其包括光源160以及由布置成二维矩阵的像素152形成的透射式空间光调制装置150；以及(B)导光单元120，其用于引导来自图像生成装置111的光，并向观察者20的眼睛21发射光，其中，透射式空间光调制装置150在其光发射侧上包括微透镜阵列170，微透镜阵列170包括与每个像素152相对应的微透镜，并且在将从光源160进入像素152的光的入射立体角假定为ωin，将穿过该像素并从与该像素相对应的微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。

Description

图像显示设备、图像生成装置以及透射式空间光调制装置
技术领域
本发明涉及透射式空间光调制装置、包括该透射式空间光调制装置的图像生成装置以及包括该图像生成装置的图像显示设备。更具体地涉及适用于头戴式显示器(HMD)的图像显示设备、以及适用于该图像显示设备的图像生成装置，还涉及适用于该图像生成装置的透射式空间光调制装置。
背景技术
从例如JP 2006-162767 A中已知一种虚拟图像显示设备(图像显示设备)，其用于通过虚拟图像光学系统向观察者显示由图像生成装置形成的作为放大虚拟图像的二维图像。
如图21中的概念图所示，该图像显示设备1100包括：图像生成装置111，其具有排列成二维矩阵的多个像素；准直光学系统112，其用于将从图像生成装置111的像素中发射的光转换成平行光束；以及导光单元120，其用于引导并发射被准直光学系统112转换成平行光束的入射光。从导光单元120中发射的光被引导至观察者20的眼睛21。导光单元120包括：导光板121，其通过全反射将入射光传播到其中，并然后发射该光；第一偏转单元130(例如由单层反光膜形成)，其用于反射已经进入导光板121的光，从而使得已经进入导光板121的光在导光板121的内部被全发射；以及第二偏转单元140(例如由具有多层堆叠结构的多层反光膜形成)，其从导光板121中发射通过全反射传播到导光板121的内部的光。这样，在构成这类图像显示设备1100时(例如，HMD)时，可以实现设备的重量和尺寸的减小。
可选地，从例如JP 2007-094175 A中也已知一种虚拟图像显示设备(图像显示设备)，其使用全息衍射光栅通过虚拟图像光学系统向观察者显示作为放大虚拟图像的由图像生成装置形成的二维图像。
如图22中的概念图所示，该图像显示设备1200基本包括用于显示图像的图像生成装置111、准直光学系统112、用于接收来自图像生成装置111的光并且将该光引导至观察者的眼睛21的导光单元220。这里，导光单元220包括导光板221，以及由设置在导光板221上的反射型体积全息衍射光栅形成的第一衍射光栅元件230和第二衍射光栅元件240。然后，从准直光学系统112发射的平行光束进入导光板221的第一表面222，并且从第一表面222中发射出去。第一衍射光栅元件230和第二衍射光栅元件240与导光板221的第二表面223(其与导光板221的第一表面222平行)连接。
现有技术列表
专利文献
专利文献1:JP 2006-162767 A
专利文献2:JP 2007-094175 A
专利文献3:JP 10-170859 A
发明内容
本发明要解决的问题
在图22所示的X-Y平面中，例如，通过准直光学系统112将从图像生成装置111中发射的光转成彼此具有不同视角(或从图像生成装置111的各个像素中所发射的光的发射角)的一组平行光束。该组平行光束被转换成在与该组平行光束垂直的X-Z平面中彼此具有不同视角的一组光束，并且进入导光板221。应当注意，在图22中，将X-Y平面中的典型平行光束表示为平行光束r1(由实线标识)、r2(由点划线标识)、r3(由虚线标识)，并且在图23A中，将X-Z平面中的典型平行光束表示为平行光束R1(由实线标识)、R2(由点划线标识)、R3(由虚线标识)。在图中所示的图像显示设备1200中，将横向(水平方向)假定为Y方向，并且将纵向(垂直方向)假定为Z方向。即，从相对于观察者的眼睛21的横向引导用于显示视频图像、多种信息等的光，并且然后该光进入眼睛21。
现在，在这类构造中，由于将要引导进入导光板221的内部的光在X-Y平面中的平行光束的行为与在X-Z平面中的平行光束的行为之间的差异，因此将出现下述问题。应当注意，图24A是用于解释相关技术中的图像显示设备中的问题的图，而图24B是示意地示出了从准直光学系统的中心部和上端部发射的并且由导光板引导的光的传播状态的图。这里，图24A是示意地示出了从图像生成装置中发射、由导光单元引导并到达眼睛的光在与X-Z平面和X-Y平面相对应的平面中的传播状态的图。
即，在上述构造中，从第一表面222中进入导光板221的光进入放置在第二表面223上的第一衍射光栅元件230中。应当注意，假定从准直光学系统112的中心到第一衍射光栅元件230的中心的距离为L1，从第一衍射光栅元件230的中心到第二衍射光栅元件240的中心的距离为L2，并且从第二衍射光栅元件240的中心到眼睛21的距离为L3。
对于在X-Y平面中的X方向的分量，通过第一衍射光栅元件230对每条光束r1、r2、r3进行衍射和反射，并且当在第一表面222和第二表面223之间重复进行全反射的同时，在导光板221中将光束作为平行光束进行引导，并且光束向着设置在导光板221的另一端的第二衍射光栅元件240沿着Y方向传导。然后，由于衍射和反射，已经进入第二衍射光栅元件240的每个视角的平行光束从全反射条件中偏离出来，从导光板221中发射出来，并且进入观察者的眼睛21。这里，在平行光束的传导方向上，导光板221内部的反射次数根据视角而变化。即，光程长度发生变化。然而，由于所有的传播光束均为平行光束，光束组就像被折叠一样传播。因此，对于在X-Y平面中的X方向分量的光，可以忽略从第一衍射光栅元件230的中心到第二衍射光栅元件240的中心的距离L2，并且从准直光学系统112的中心到眼睛21的实际距离变为(L1+L3)。另外，可将该结构基本上视为远心光学系统(telecentric opticalsystem)，并且对于在X-Y平面中的X方向分量的光，第一衍射光栅元件230的位置用作射出瞳位置。
另一方面，对于位于X-Z平面中的入射光束R1,R2,R3，X方向分量在导光板221内部被重复反射，但是Z方向分量未被反射而到达第二衍射光栅元件240。即，从准直光学系统112中发射的光被会聚在X-Z平面中，并从第一表面222进入，而且在导光板221内部在Y方向上传导。然后，这些光束在被导光板221的第一表面222和第二表面223反射的同时而传导，从而在Z方向上收缩，并到达第二衍射光栅元件240，通过第二衍射光栅元件240对这些光束进行反射和衍射以将其发射，并且进入观察者的眼睛21。即，对于在X-Z平面中的Z方向分量的光，需要考虑从第一衍射光栅元件230的中心到第二衍射光栅元件240的中心的距离L2，并且如图21或22所示，在假定全反射的角度为φ时，从准直光学系统112的中心到眼睛21的实际距离几乎变为(L1+L2/sin(φ)+L3)。另外，该结构为非远心光学系统，对于在X-Z平面中的Z方向分量的光，眼睛21的位置或眼睛21附近的位置用作射出瞳位置。
因此，如图24A所示，例如，对于入射光R3'，在空间区域中使用从右上方向左下方的斜线标记的光到达眼睛21，但是在空间区域中使用从左上方向右下方的斜线标记的光未到达眼睛21。即，一些光束未到达眼睛21，并且出现了某种光晕。换言之，存在从图像生成装置111中发射的光的低利用效率的问题，并且由于该光的低利用效率，造成了在图像生成装置111中功耗增加的问题。
在使入射光R3'的发射立体角ωout大于图24A中所示时，能够减少光晕。为此，在图像生成装置111包括光源(未示出)以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式液晶显示装置的情况下，需要使来自光源的光以较大的入射立体角进入图像生成装置111。然而，在使来自光源的光以较大的入射立体角进入透射式液晶显示装置的像素时，进入液晶层的光束的角度与直角相差很大，从而出现双折射，这导致线性偏振光的椭圆形化或整个偏振器(包括入射侧偏振器和发射侧偏振器的组合)中的低消光比，进而出现图像中对比度的减小。即，在使来自光源的光以较大的入射立体角进入图像生成装置时，为了避免发生光晕以必须保证来自所述透射式液晶显示装置的足够的发射立体角ωout时，于是降低了图像中的对比度。因此，有必要保证来自透射式液晶显示装置的较大发射立体角ωout以避免光晕发生，同时通过使得来自光源的光以较小入射立体角进入透射式液晶显示装置的像素来抑制图像对比度的劣化。
例如，从日本专利申请公开第10-170859号可知一种图像显示设备，其在由图像生成单元的多个像素形成的显示面上显示图像，并将从通过照明单元经过透射照明的图像中发射的光束经由光学系统向着观察者的眼睛引导，并且使得由光束形成的图像的虚拟图像能够被观察者视觉地识别。在该图像显示设备中，将第一方向设定在虚拟图像形成平面中，设定与第一方向大致垂直的第二方向，并且通过设置在像素附近的发散角转换单元，针对每个像素对从每个像素中发射的光束在第一方向和第二方向上的发散角进行控制，并且作为在第一方向上和第二方向上具有不同发散角的光束进入光学系统。这样，使得在第一方向上和第二方向上具有不同发散角的光束进入光学系统，从而可改善光的低利用效率。然而，难以同时改善图像中对比度劣化和光晕的发生。
因此，本发明的第一目的在于提供一种图像显示设备，其构造和结构在抑制光晕发生的同时能够抑制图像中不希望的对比度下降，并提供适用于该图像显示设备中的图像生成装置以及适用于该图像生成装置的透射式空间光调制装置。另外，包括第一目的在内，本发明的第二目的在于提供一种图像显示设备，其构造和结构能够增加从图像生成装置中发射的光的利用效率并且实现图像生成装置中功耗的进一步降低，并提供适用于该图像显示设备中的图像生成装置以及适用于该图像生成装置中的透射式空间光调制装置。
技术方案
用于实现上述第一目的的本发明的图像显示设备包括：
(A)图像生成装置，其包括光源以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置；以及
(B)导光单元，其用于引导来自所述图像生成装置的光，并且向观察者的眼睛发射所述光，其中，
所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，并且
在将从所述光源进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
用于实现上述第一目的的本发明的图像生成装置是如下图像生成装置：其用于通过全反射将入射光传播到其中，并且然后向导光单元发射该光，所述导光单元包括利用偏转单元来发射光的导光板，所述图像生成装置包括：
光源以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置，
其中，所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与所述每个像素相对应的微透镜，并且
在将从所述光源进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。应当注意：术语“全反射”指在导光板内部的全部内部反射或全反射。这同样也适用于下面的描述。
用于实现上述第一目的的本发明的透射式空间光调制装置是由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置，所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，
其中，在将从所述光源中发射并进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
技术效果
在本发明的图像显示设备、图像生成装置或透射式空间光调制装置中，在假定从光源中发射并进入像素的光的入射立体角为ωin，并且假定穿过该像素并从对应于该像素的微透镜中发射的光的发射立体角(光的扩展角)为ωout时，满足ωout>ωin。因此，使得来自光源的光以小入射立体角进入透射式空间光调制装置，从而可以避免图像中对比度下降的发生。此外，由于可以使最终从透射式空间光调制装置中发射的光的发射立体角变大，因此可抑制图像中发生的光晕。
附图说明
图1是示例1的图像显示设备的概念图。
图2A和图2B分别是示意地示出了从X-Z平面观察的进入位于示例1的图像生成装置中心处的像素并且从该像素发射的光的传播状态以及从X-Y平面观察的光的传播状态的图，并且图2C是示意地示出了从X-Z平面观察的进入位于示例2的图像生成装置中心处的像素并且从该像素发射的光的传播状态。
图3是从上部观察的示例1的图像显示设备的示意图。
图4是从侧面观察的示例1的图像显示设备的示意图。
图5是从前侧观察的示例1的图像显示设备的示意图。
图6是从上部观察的安装在观察者头部的示例1的图像显示设备的图(然而仅示出了图像显示设备，未示出框架)。
图7是示例2的图像显示设备的概念图。
图8是示例2的图像显示设备的变形例的概念图。
图9A和图9B是示意地示出了从X-Z平面观察的从位于示例3的图像生成装置中心处的像素中发射的光的传播状态的图以及从X-Y平面观察的光的传播状态的图。
图10A是示意地示出了从示例3的图像生成装置中发射、由导光单元引导、进而到达位于与X-Z平面和X-Y平面相对应的平面中的眼睛的光的传播状态的图；图10B是示意地示出了从示例3的图像生成装置的每个像素中发射的光的图；图10C和图10D是从侧面观察导光单元以说明每个示例的导光单元与图像生成装置中的中心入射光之间的关系的图。
图11A和图11B是示例4的图像显示设备的概念图。
图12A是从侧面观察的示例5的图像显示设备的示意图，并且图12B是从侧面观察的相关技术的图像显示设备的一种模式的示意图。
图13是从前侧观察的示例6的图像显示设备的示意图。
图14是从上部观察的示例6的图像显示设备的示意图。
图15是从前侧观察的示例7的头戴式显示器的示意图。
图16是从前侧观察的示例7的头戴式显示器(然而是假定移除框架时的状态)的示意图。
图17是从上部观察的示例7的头戴式显示器的示意图。
图18是从前侧观察的示例8的头戴式显示器的示意图。
图19是从前侧观察的示例8的头戴式显示器(然而是假定移除框架时的状态)的示意图。
图20是从上部观察的示例8的头戴式显示器的示意图。
图21是相关技术的图像显示设备的概念图。
图22是与图21所示具有不同形式的相关技术的图像显示设备的概念图。
图23A是从另一方向观察的图22所示形式的相关技术的图像显示设备的概念图，并且图23B是示意地示出了从X-Z平面观察的进入位于相关技术的图像生成装置中心处的像素并且从该像素发射的光的传播状态的图。
图24A是用于说明相关技术的图像生成装置的问题的图，并且图24B是示意地示出了从准直光学系统的中心部和上端部发射的并且由导光板引导的光的传播状态的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图基于实施例描述本发明，然而，本发明不局限于这些实施例，并且实施例中的各种数值和材料是示例性的。应当注意，将按照如下顺序进行说明。
1.本发明的图像显示设备、图像生成装置以及透射式空间光调制装置的概述
2.示例1(本发明的图像显示设备、图像生成装置以及透射式空间光调制装置)
3.示例2(示例1的变形例)
4.示例3(示例1至示例2的变形例)
5.示例4(示例1至示例3的变形例)
6.示例5(示例1至示例4的变形例)
7.示例6(示例1至示例4的其他变形例)
8.示例7(示例1至示例6的变形例)
9.示例8(示例7的变形例)以及其他
[本发明的图像显示设备、图像生成装置以及透射式空间光调制装置的概述]
本发明的图像显示设备中的透射式空间光调制装置、本发明的图像生成装置中的透射式空间光调制装置或者本发明的透射式空间光调制装置(在下文中，在某些情况下，那些透射式空间光调制装置一起被简称为“本发明的透射式空间光调制装置等”)在其光入射侧上包括第二微透镜阵列，第二微透镜阵列包括与每个像素相对应的第二微透镜；并且可具有一种模式，其中，将从光源进入第二微透镜的光的入射立体角假定为ωin-2，并且从第二微透镜发射的光的发射立体角(光的扩展角)假定为ωout-2，并且满足ωout>ωin＝ωout-2>ωin-2。
可选地，本发明的透射式空间光调制装置等可具有在其光入射侧上包括光扩散板的模式。
包括上述优选模式的本发明的图像显示设备中的图像生成装置，或本发明的图像生成装置还包括导光管，并且可具有使从光源发射的光通过导光管进入透射式空间光调制装置的构造。这里，导光管是用于通过多次反射来自多角柱体或多角棱锥体的侧面的光来获取均匀面光源的光学元件，并且也被称为均化器。导光管内部为中空，并且侧面包括镜面，而且导光管由诸如玻璃的透明材料制成，并利用来自其侧面的全反射。
在包括上述优选模式和构造的本发明的图像显示设备的图像生成装置中，或在本发明的图像生成装置中，可采用如下构造，其中，在将从图像生成装置的中心发射的光进入导光单元的点假定为O点时，将穿过O点的导光单元的部位中的法线假定为X轴，将穿过O点的导光单元的部位中的导光单元的轴线假定为Y轴，将从图像生成装置的中心发射并在O点处进入导光单元的光的光轴假定为ζ轴，并且包括ζ轴和Y轴的虚拟平面假定为ζ-Y平面，从图像生成装置发射并在点(0，Y1，Z1)处进入导光单元的光与ζ-Y平面形成角(倾斜角)θZ，并与X-Z平面形成角θY；并且在Z1≠0的情况下，满足θZ≠θY。这样，在Z1≠0的情况下满足θZ≠θY导致可以更加可靠地防止在从导光单元中发射的某些光束未到达眼睛时出现某种光晕的现象的发生，并且可实现从图像生成装置中发射的光的利用效率的进一步提高，并且从而可进一步实现图像生成装置中功耗的降低。即，可实现本发明的上述第二目的。
然后，在这类构造中，可采用如下构造，其中，无论Y1的值如何，θY的值为常数，并且随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值也增加。然后，可采用如下模式，其中，随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值单调增加或阶跃式增加。在无论Y1的值如何，θY的值为常数时，具体地(但不局限于此)，例如，仅需要θY＝0。另外，可采用如下构造，其中，根据(0，Y1，Z1)的值，对像素的光轴相对于与该像素相对应的微透镜的光轴的偏移量进行定义。可选地，可采用如下构造，其中，基于(0，Y1，Z1)的值倾斜微透镜的光轴，而不是基于(0，Y1，Z1)的值使得像素的光轴相对于与该像素相对应的微透镜的光轴偏移，并且在这种情况下，仅需要恰当地设计微透镜的发光面的曲率。
在包括上述优选模式和构造的本发明的透射式空间光调制装置等中，可采用由柱形透镜阵列或畸变透镜阵列来形成微透镜阵列的模式。类似地，可采用使用柱形透镜阵列或畸变透镜阵列来形成第二微透镜阵列的模式。在这种情况下，从微透镜中发射的光的发射立体角(光的扩展角)是当光投射在与微透镜的轴线(柱轴)垂直的虚拟平面上时形成的角度。
另外，在包括上述优选模式和构造的本发明的图像生成装置中，可采用如下模式，其中，偏转单元包括：
第一偏转单元，其用于偏转已经进入导光板的光，以使得已经进入导光板的光在导光板内部被全发射；以及
第二偏转单元，其用于多次偏转通过全反射传播到导光板的内部的光，以使得从导光板中发射通过全反射传播到导光板的内部的光。
另外，在包括上述优选模式和构造的本发明的图像显示设备或图像生成装置中，可采用如下构造，其中导光单元包括：
(B-1)导光板，其用于通过全反射将入射光传播到其中，然后发射该光；
(B-2)第一偏转单元，其用于偏转已经进入导光板的光，以使得已经进入导光板的光在导光板内部被全发射；以及
(B-3)第二偏转单元，其用于多次偏转通过全反射传播到导光板的内部的光，以使得从导光板中发射通过全反射传播到导光板的内部的光。
此外，可采用由透射式液晶显示装置形成包括上述优选模式和构造的本发明的透射式空间光调制装置等的模式。
可使用已知方法制造微透镜或微透镜阵列以及第二微透镜或第二微透镜阵列。微透镜可具有正焦强或负焦强。微透镜阵列可布置在透射式空间光调制装置的光发射侧，临近透射式空间光调制装置或与透射式空间光调制装置接触，或与透射式空间光调制装置一体地形成并且布置在透射式空间光调制装置内部。类似地，第二微透镜阵列可布置在透射式空间光调制装置的光入射侧，临近透射式空间光调制装置或与透射式空间光调制装置接触，或与透射式空间光调制装置一体地形成并且布置在透射式空间光调制装置内部。在与透射式空间光调制装置一体地形成并且布置在透射式空间光调制装置内部时，可通过在构成透射式空间光调制装置的透明基板的内表面中形成凹部，并由与构成透明基板的材料的折射率具有不同折射率的透明材料填充该凹部来形成微透镜或第二微透镜。
光源的示例可包括发光元件(例如LED)。用于构成光源的发光元件的例子可包括红光发射元件、绿光发射元件、蓝光发射元件以及白光发射元件，并且也可选地，可利用导光管将从红光发射元件、绿光发射元件以及蓝光发射元件中发射的红光、绿光以及蓝光混合并使其经受亮度均匀化，从而获取白光。仅需根据图像显示设备所需的规格确定像素的数量，具体的数值的示例包括320×240、432×240、640×480、854×480、1024×768以及1920×1080。
此外，优选地采用如下构造，其中设置有平行光发射光学系统，该平行光发射光学系统由用于将从透射式空间光调制装置中发射的光转换成平行光束的准直光学系统形成，并且来自平行光发射光学系统(准直光学系统)的光进入导光单元。平行光发射光学系统(准直光学系统)的示例可包括由凸透镜、凹透镜、可调表面棱镜或全息透镜单独地或它们的组合形成的通常具有正光学焦强的光学系统。在平行光发射光学系统(准直光学系统)与导光单元之间，可放置有具有开口的遮光元件以避免从平行光发射光学系统发射出不期望的光，并避免该光进入导光单元。使得通过由准直光学系统形成的平行光发射光学系统被转换成多条平行光束的光进入导光板，并且这种成为平行光束的需求基于以下事实：光在经由第一偏转单元和第二偏转单元从导光板中被发射后，也需要存储当光进入导光板时的光学波前信息。应当注意，为了生成多条平行光束，具体地，仅需要将图像生成装置的发光部例如定位在平行光发射光学系统的焦距处的地方(位置)。平行光发射光学系统具有能够将像素的位置信息转化成导光单元中的角度信息的功能。
从图像生成装置的中心发射、穿过位于图像生成装置一侧的平行光发射光学系统的节点并进入导光单元的光束将被称为“中心入射光束”。中心入射光束在点O处进入导光单元。在某些示例中，该点O将被称为导光单元中心点。如上所述，将穿过导光单元中心点并与导光单元的轴线方向平行的轴线假定为Y轴，并且将穿过导光单元中心点并与导光单元的法线一致的轴线假定为X轴。
可采用如下构造，其中，第一偏转单元反射已经进入导光板的光，并且第二偏转单元多次透射并反射通过全反射传播到导光板的内部的光。然后，在这种情况下，可采用如下构造，其中，第一偏转单元用作反射镜，并且第二偏转单元用作半透射镜。应当注意，为方便起见，将这类导光单元称为“第一模式导光单元”。
在这类构造中，第一偏转单元可包括例如包含有合金的金属，并且可包括用于反射已经进入导光板的光的反光膜(一种反光镜)，或者用于衍射已经进入导光板的光的衍射光栅(例如，全息衍射光栅膜)。此外，第二偏转单元可包括其中大量堆叠有介电层叠膜的多层堆叠结构、半反射镜、偏振光束分光器或全息衍射光栅膜。第一偏转单元和第二偏转单元布置在导光板的内部(结合至导光板中)，并且在第一偏转单元中，对已经进入导光板的平行光束进行反射或衍射，使得已经进入导光板的平行光束在导光板内部被完全反射。另一方面，在第二偏转单元中，通过全反射而传播到导光板的内部的平行光束被多次反射或衍射，并作为平行光束从导光板中发射。
可选地，也可采用如下构造，其中，第一偏转单元衍射已经进入导光板的光，并且第二偏转单元多次衍射通过全反射传播到导光板的内部的光。应当注意，为了方便起见，将这类导光单元称为“第二模式导光单元”。那么，在这种情况中，可采用如下模式，其中，由衍射光栅元件形成第一偏转单元和第二偏转单元，进一步地，可采用如下构造，其中，由反射型衍射光栅元件或透射型衍射光栅元件形成衍射光栅元件，或者衍射光栅元件之一由反射型衍射光栅元件形成，而其他衍射光栅元件由透射型衍射光栅元件形成。反射型衍射光栅元件的示例可包括反射型体积全息衍射光栅。为了方便起见，在某些情况下，将由反射型体积全息衍射光栅形成的第一偏转单元称为“第一衍射光栅元件”，将由反射型体积全息衍射光栅形成的第二偏转单元称为“第二衍射光栅元件”。在衍射光栅中干涉条纹对齐的方向或衍射方向为Y方向，而干涉条纹沿Z方向延伸。
使用本发明的图像显示设备，可以显示单色(例如绿色)图像，并且在显示彩色图像的情况下，可采用如下构造，其中，通过堆叠由反射型体积全息衍射光栅形成的P层衍射光栅层来形成第一衍射光栅元件或第二衍射光栅元件，以便适用于具有P种不同波长段(或波长)的P种(P＝3:例如红、绿和蓝三色)光的衍射和反射。适用于一种波长段(或波长)的干涉条纹形成在每个衍射光栅层中。可选地，可以采用如下的构造，其中，P种干涉条纹形成于由单层衍射光栅层形成的第一衍射光栅元件或者第二衍射光栅元件中，从而适用于具有P种不同波长段(或者波长)的P种光的衍射和反射。可选地，也可采用如下构造，其中，将视角平均分为三等份，并且通过堆叠与各个视角相对应的衍射光栅层来形成第一衍射光栅元件或第二衍射光栅元件。于是，采用这些构造使得在具有每种波长段(或波长)的光被第一衍射光栅元件或第二衍射光栅元件进行衍射和反射时，可实现增加的衍射效率、大衍射接收角以及最优的衍射角。
用于构成第一衍射光栅元件和第二衍射光栅元件的材料的示例可包括光聚合物材料。由反射型体积全息衍射光栅形成的第一衍射光栅元件和第二衍射光栅元件的构成材料以及基本结构仅需与相关技术的构成材料和基本结构相同。反射型体积全息衍射光栅表示用于仅衍射和反射正一次衍射光的全息衍射光栅。在衍射光栅元件中从其内部向表面形成干涉条纹，并且干涉条纹形成方法本身仅需与相关技术的形成方法相同。具体地，例如，仅需从衍射光栅元件的一侧的第一预定位置使用物体光照射用于构成衍射光栅元件的部件(例如光聚合物材料)，并且同时使用参考光从衍射光栅元件的另一侧的第二预定位置照射衍射光栅元件的部件，并且将由物体光和参考光形成的干涉条纹记录在用于构成衍射光栅元件的部件的内部。恰当地选择第一预定位置、第二预定位置以及物体光和参考光的波长，以便获取衍射光栅元件的表面上的干涉条纹的期望间距和干涉条纹的期望倾斜角(倾斜角度)。干涉条纹的倾斜角(倾斜角度)表示在衍射光栅元件(或衍射光栅层)的表面与干涉条纹之间形成的角度。在第一衍射光栅元件和第二衍射光栅元件包括由反射型体积全息衍射光栅形成的P层衍射光栅层的堆叠结构的情况下，这类P层衍射光栅层的堆叠仅需通过单独地制造P层衍射光栅层中的每者，并然后例如使用紫外线固化粘合剂将P层衍射光栅层堆叠(结合)而制成。通过使用有粘性的光聚合物材料制造一层衍射光栅层，然后依次在所述一层衍射光栅层上结合有粘性的光聚合物材料来制造衍射光栅层，由此制成P层衍射光栅层。
可选地，在本发明的图像显示设备中，可采用如下模式，其中，导光单元包括用于接收从图像生成装置中发射的光并向观察者眼睛发射光的半透射镜。可采用从图像生成装置中发射的光通过空气传播并然后进入半透射镜的结构，或采用如下结构，其中，光传播到诸如玻璃面板和塑料面板之类的透明件(具体地，由与用于构成后述的导光板的材料相同的材料形成的元件)的内部，并进入半透射镜。半透射镜可隔着该透明件与图像生成装置连接，或可隔着不同于该透明件的元件与图像生成装置连接。
在图像显示设备中，导光板具有沿着与通过全反射传播到导光板的内部的光的方向(Y方向)平行延伸的两个平行表面(第一表面和第二表面)。在将用于接收光的导光板的表面假定为导光板的入射面，并且将发射光的导光板的表面假定为导光板的发射面时，第一表面可构成导光板的入射面和导光板的发射面，或第一表面可构成导光板的入射面，而第二表面可构成导光板的发射面。
用于构成导光板的材料的示例可包括包含诸如石英玻璃和BK7之类的光学玻璃的玻璃和塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸酯树脂、聚丙烯酸酯树脂、非晶聚丙烯树脂以及包括丙烯腈树脂的苯乙烯树脂)。导光板的形状不局限于平板，并且可具有弯曲形状。
本发明的图像显示设备可构成例如头戴式显示器(HMD)，并且可实现该设备的质量和尺寸的减小，并且能够很大程度上缓解佩戴该设备时的不适，并且进一步地，还能够实现制造成本的降低。
头戴式显示器包括：
(i)眼镜型框架，其固定至观察者的头部；以及
(ii)本发明的图像显示设备。该头戴式显示器可包括一个本发明的图像显示设备(单目型)，或可包括两个本发明的图像显示设备(双目型)。导光单元可制作成半透射型(透明型)。具体地，面对观察者的眼睛(双眼)的导光单元的至少一部分制作成半透射型(透明型)，并且观察者可通过导光单元的该部分观察外部。
框架由被放置在观察者的前侧的前端单元、通过铰链与前端单元的两端旋转地连接的两个镜腿单元以及与每个镜腿单元的端部连接的端盖构成，并且进一步包括鼻垫。在观察整个头戴式显示器时，除没有边框外，该框架与鼻垫的组件具有与普通眼镜大体相同的结构。用于构成该框架的材料可包括与用于构造普通眼镜的诸如金属、合金、塑料或其组合之类的材料相同的材料。鼻垫也可具有已知构造和结构。
然后，在头戴式显示器的设计方面或头戴式显示器的佩戴舒适度方面，期望采用以下模式，其中，来自于一个或两个图像生成装置中的配线(诸如信号线和电源线)从端盖的梢部经由镜腿单元和端盖的内部延伸至外部，并且连接至控制装置(控制单元或控制电路)。另外，期望采用以下模式，其中，图像生成装置中的每者包括耳机单元，并且来自于每个图像生成装置的用于耳机单元的配线从端盖的梢部经由镜腿单元和端盖的内部延伸至耳机单元。耳机单元的示例可包括入耳式耳机单元和耳道式耳机单元。更具体地，用于耳机单元的配线通过卷绕耳廓(听囊)的后部的方式从端盖的梢部延伸至耳机单元。
在头戴式显示器中，可采用将成像装置连接到前端单元的中心部的模式。具体地，成像装置包括由例如CCD或CMOS传感器和透镜形成的固态成像元件。例如，来自于成像装置的配线仅需通过前端单元的背面与一个图像显示设备连接，或仅需进一步包括在从图像生成装置中延伸的配线中。
在本发明的图像显示设备中，可采用如下构造，但该构造不局限于此，其中，中心入射光束以非0度的角度(θZ0≠0度)与X-Y平面相交，或者在X-Y平面上的入射角(X-Y平面入射角)θZ0为θZ0≠0度，从而在将图像显示设备连接到眼镜型框架的连接单元时，减少了对图像显示设备的安装角度的限制，并且可获取设计上的高自由度。假定X-Y平面与水平面重合，可采用中心入射光束与X-Y平面相交的角度θZ0是仰角的构造。即，可采用如下构造，其中，中心入射光束从X-Y平面的下侧向X-Y平面传播，并与X-Y平面相遇。然后，在这种情况下，优选地，X-Y平面以非0度的角度与垂直面相交，并且更优选地，X-Y平面以角度θZ0'与垂直面相交。应当注意，θZ0'的最大值的示例可包括但不局限于5度。这里，水平面是包括观测位于水平方向中的目标(例如，在无穷远方向的目标或地平线)的观察者的视线(“观察者的水平视线”)、并且包括处于水平位置的观察者的双眼的平面。另外，垂直面是与该水平面垂直的平面。可选地，可采用如下模式，其中，在观察者观察位于水平方向的目标(例如，在无穷远方向的目标或地平线上)时，从导光单元中发射的并进入观察者眼睛的中心入射光束形成俯角。相对于水平面的俯角的示例可包括5度～45度。
在将头戴式显示器制作为双目型的情况下，优选地采用如下构造，其中：
导光单元作为整体被放置为远离图像生成装置而更靠近观察者脸部的中心，并且
还包括用于将两个图像显示设备接合的接合件，
接合件优选地与位于观察者双眼之间的框架的中心部的面对观察者的一侧连接，并且
接合件的投影图像包括在框架的投影图像中。
这样，在采用接合件与位于观察者双眼之间的框架的中心部连接的构造(即，除采用图像显示设备直接与框架连接的结构之外的构造)时，当观察者在头部上佩戴框架时，镜腿单元变成向外侧展开的状态，并因此，即使在框架变形时，也不会因框架的变形而出现图像生成装置或导光单元的移动(位置的变化)，或者如果出现也是极小的移动。因此，能够可靠地避免右和左图像的会聚角度的变化。此外，由于无需增加框架的前端单元的刚性，因此不会引起框架重量增加、设计性降低以及成本增加。另外，由于图像显示设备不直接与眼镜型框架连接，因此能够根据观察者的喜好自由地选择框架的设计、颜色等，并且在框架的设计上的限制很少，而且设计上的自由度高。另外，接合件放置在观察者和框架之间，并且接合件的投影图像也包括在框架的投影图像中。换言之，在从观察者前方观察头戴式显示器时，接合件被框架隐藏。因此，可向头戴式显示器提供高的可设计性和设计特性。
应当注意，优选采用如下构造，其中，接合件与位于观察者双眼之间的前端单元的中心部(相当于普通眼镜的桥部)的面对观察者的一侧连接。
在通过接合件接合两个图像显示设备时，具体地，可采用图像生成装置与接合件的两个端部以连接状态可调节的方式连接的构造。然后，在这种情况下，优选地采用将每个图像生成装置设置在观察者眼睛的外侧的构造。另外，在这种构造中，在将一个图像生成装置的连接单元中心与框架的一端(一个末端)之间的距离假定为α，将接合件的中心与框架的一端(一个末端)之间的距离假定为β，将另一图像生成装置的连接单元中心与框架的该一端(一个末端)之间的距离假定为γ，并将框架的长度假定为L时，期望满足0.01×L≤α≤0.30×L，优选地，0.05×L≤α≤0.25×L，0.35×L≤β≤0.65×L，优选地0.45×L≤β≤0.55×L，0.70×L≤γ≤0.99×L，优选地0.75×L≤γ≤0.95×L。具体地，例如，通过在接合件的每个端部设置三个通孔，并且在图像生成装置中设置与通孔相对应的螺钉部，将螺钉穿过各自的通孔，并将螺钉旋拧至设置在图像生成装置中的螺钉部，从而将图像生成装置与接合件的每个端部连接。预先在每个螺钉和每个螺钉部之间插入弹簧。这样，可通过弹簧的紧固状态来调节图像生成装置的连接状态(图像生成装置相对于接合件的倾斜)。
这里，在图像生成装置与接合件连接的状态下，图像生成装置的连接单元中心是指沿在图像生成装置和框架在虚拟平面上投影时所获取的图像生成装置的投影图像与框架的投影图像之间的重叠部分的框架的轴线方向上的二等分点。另外，在接合件与框架连接的状态下，连接单元的中心是指沿接合件与框架接触的部分的框架的轴线方向的二等分点。在框架弯曲的情况下，框架的长度指框架的投影图像的长度。应当注意，将投影的方向假定为与观察者的面部垂直的方向。
可选地，在通过接合件接合两个图像显示设备时，具体地，可采用接合件接合两个导光单元的构造。存在将两个导光单元一体地制造的情况，并且在这种情况中，在将接合件连接到一体地制造的导光单元时，这种模式也包括在接合件接合两个导光单元的模式中。在将一个图像生成装置的中心与框架的一端之间的距离假定为α'，并将另一图像生成装置的中心与框架的一端之间的距离假定为γ'时，期望将α'的值和γ'的值设置成与上述α的值和γ的值相同。在图像生成装置与导光单元连接的状态下，图像生成装置的中心是指沿在图像生成装置和框架在虚拟平面上投影时所获取的图像生成装置的投影图像与框架的投影图像之间的重叠部分的框架的轴线方向上的二等分点。
只要接合件的投影图像包括在框架的投影图像中，接合件基本上可以具有任意形状，并且例如，接合件的形状可包括棍状和长板状。用于构成接合件的材料的示例可包括金属、合金、塑料以及它们的组合。
示例1
示例1涉及本发明的图像显示设备、图像生成装置以及透射式空间光调制装置，并且具体地，示例1的图像显示设备包括第一模式的导光单元。图1示出了示例1的图像显示设备的概念图，并且示例1的图像显示设备结合在头戴式显示器(HMD)中。另外，图2A示意地示出了从X-Z平面观察的进入位于示例1的图像生成装置中心处的像素并且从该像素发射的光的传播状态，并且图2B示意地示出了从X-Y平面观察的光的传播状态的图。另外，图3示出了从上部观察的示例1的图像显示设备的示意图，图4示出了从侧面观察的图像显示设备的示意图，图5示出了从前侧观察的图像显示设备的示意图，并且图6示出了从上部观察的示例1的图像显示设备处于安装在观察者头部的状态下的图(然而，仅示出了图像显示设备，未示出框架)。
示例1或后述的示例2～8的图像显示设备100、200、300包括：
(A)图像生成装置111，其包括光源160以及由布置成二维矩阵的像素152形成的透射式空间光调制装置150；以及
(B)导光单元120、220、320，其用于引导来自图像生成装置111的光，并向观察者20的眼睛21发射光。应当注意，为方便起见，在图中仅示出了一个像素152。
另外，示例1的图像生成装置111是如下图像生成装置，其通过全反射将入射光传播到其中，并然后向导光单元120、220、320(包括使用偏转单元发射光的导光板)发射该光，并且包括光源160以及由布置成二维矩阵的像素152形成的透射式空间光调制装置150。
然后，图像显示设备100、200、300或图像生成装置111中的透射式空间光调制装置150，或示例1的透射式空间光调制装置150包括在其光发射侧上的微透镜阵列170，微透镜阵列170包括与每个像素152相对应的微透镜，并且当将从光源160中发射(具体地，从后述的导光管151中发射)并进入像素152的光的入射立体角假定为ωin，将穿过该像素152并从与该像素152相对应的微透镜171中发射的光的发射立体角(光的扩展角)假定为ωout时，满足ωout>ωin。换言之，用于照射透射式空间光调制装置的照射光的f数大于用于构成图像的图像光的f数。
在彩色显示的情况下，一个像素包括用于发射红光的红光发射子像素、用于发射绿光的绿发射子像素以及用于发射蓝光的蓝光发射子像素，并且仅需将子像素视为像素。在示例1或后述的示例2～8中，由用于发射白光的发光二极管形成用于构成图像生成装置111的光源160。另外，具体地，透射式空间光调制装置150由透射式液晶显示装置形成，并且例如包括640×480个像素(液晶单元)。从光源160中发射的白光经由导光管151进入透射式空间光调制装置150。导光管151是用于通过多次反射来自多角柱体或多角棱锥体的侧面的光来获取均匀面光源的光学元件，并且导光管的内部为中空并且侧面包括反光镜。可选地，导光管151由诸如玻璃的透明材料制造，并且导光管151利用来自其侧面的全反射。
在示例1或后述的示例2至8中，由布置成二维矩阵的多个微透镜形成的微透镜阵列170布置在图像生成装置111中。从每个像素152中发射的光通过与该像素152相对应的微透镜171从图像生成装置111中发射。微透镜171包括例如柱形透镜或畸变透镜。这里，微透镜171的轴线(柱轴)在平行于与导光单元120、220的Y方向相对应的图像生成装置111的方向上延伸，在与导光单元的X-Z平面相对应的图像生成装置的虚拟平面上截取的微透镜171的剖面形状是诸如半圆形、圆弧或椭圆形之类的部分为曲线的形状，并且在与导光单元的Y-Z平面相对应的图像生成装置111的虚拟平面上截取的微透镜171的剖面形状大体上是矩形。因此，从微透镜171中发射的光的发射立体角(光的扩展角)ωout是在光束投射到X-Z平面上时所形成的角度。
这里，头戴式显示器包括：
(i)眼镜型框架10，其安装至观察者20的头部；以及
(ii)图像显示设备100、200、300。该头戴式显示器可包括一个图像显示设备(单目型)，或可包括两个图像显示设备(双目型)，并且，在示例中，描述了包括两个图像显示设备的双目型。可将图像显示设备100、200、300与框架固定地连接，或可将其与框架可拆卸地连接。图像生成装置111显示单色(例如绿色)图像。另外，导光单元120、220、320可为半透射型(透明型)。具体地，面对观察者20的眼睛21(双眼)的导光单元的至少一部分(更具体地，后述的导光板121、221以及第二偏转单元140、240)为半透射型(透明型)。
在示例1或后述的示例2～8中，将从图像生成装置111的中心发射的光(中心入射光束CL)穿过平行光发射光学系统112的位于图像生成装置一侧的节点、并且进入导光单元120、220、320的点假定为O点(导光单元中心点O)，将穿过导光单元中心点O的导光单元120、220、320的部分中的法线假定为X轴，并且将穿过导光单元中心点O的导光单元120、220、320的部分中的轴线假定为Y轴。第一偏转单元130、230的中心点为导光单元中心点O。另外，将从图像生成装置111的中心发射并在O点(导光单元中心点O)处进入导光单元120、220的光的光轴假定为ζ轴。这里，在假设(ζ，η，ξ)正交坐标系的情况下，(X，Y，Z)正交坐标系与(ζ，η，ξ)正交坐标系之间的关系是如下关系：在假设(x，y，z)正交坐标系的情况下，在旋转并移动X轴以与ζ轴重合时，η轴与y轴重合并且ξ轴与z轴重合。应当注意，在示例1～8中，ζ轴与X轴重合，η轴与Y轴重合，并且ξ轴与Z轴重合。
然后，示例1或后述的示例2～5以及示例7～8中的导光单元120、220包括：
(B-1)导光板121、221，其用于通过全反射将入射光传播到其中，并然后发射该光；
(B-2)第一偏转单元130、230，其用于偏转已经进入导光板121、221的光，以使得已经进入导光板121、221的光在导光板121、221的内部被全反射；以及
(B-3)第二偏转单元140、240，其用于多次偏转通过全反射传播到导光板121、221的内部的光，以使得通过全反射传播到导光板121、221的内部的光从导光板121、221中发射出去。
可选地，偏转单元包括：
第一偏转单元130、230，其用于偏转已经进入导光板121、221的光，以使得已经进入导光板121、221的光在导光板121、221的内部被全反射；以及
第二偏转单元140、240，其用于多次偏转通过全反射传播到导光板121、221的内部的光，以使得通过全反射传播到导光板121、221的内部的光从导光板121、221中发射出去。
在示例1中，第一偏转单元130和第二偏转单元140布置在导光板121的内部。然后，第一偏转单元130反射已经进入导光板121的光，并且第二偏转单元140多次透射并反射通过全反射传播到导光板121的内部的光。即，第一偏转单元130起反射镜的作用，并且第二偏转单元140起半透射镜的作用。更具体地，设置在导光板121的内部的第一偏转单元130由铝(Al)形成，并且包括用于反射已经进入导光板121的光的反光膜(一种反光镜)。同时，设置在导光板121的内部的第二偏转单元140包括其中堆叠有大量介电层叠膜的多层堆叠结构。介电层叠膜包括例如作为高介电常数材料的TiO2膜，以及作为低介电常数材料的SiO2膜。在JP 2005-521099 W中公开了其中堆叠有大量介电层叠膜的多层堆叠结构。在附图中示出了六层介电层叠膜，但是介电层叠膜的数量不局限于此。由与构成导光板121的材料相同的材料形成的薄片插入在介电层叠膜之间。应当注意，在第一偏转单元130中，对已经进入导光板121中的平行光束进行反射(或衍射)，以使得已经进入导光板121中的平行光束在导光板121内部被全反射。另一方面，在第二偏转单元140中，通过全反射传播到导光板121的内部的平行光束被多次反射(或衍射)，并且作为平行光束将其从导光板121向观察者20的眼睛21发射。
对于第一偏转单元130，仅需切割其中设置有导光板121的第一偏转单元130的部分124，以提供用于在导光板121中形成第一偏转单元130的斜面，并且在斜面上真空沉积反光膜后，将导光板121的切割部124结合至第一偏转单元130。另外，对于第二偏转单元140，仅需制造多层堆叠结构，其中堆叠有大量与用于构成导光板121和介电层叠膜(例如，可通过真空沉积法形成)的材料相同的材料(诸如玻璃)，并切割其中设置有导光板121的第二偏转单元140的部分125以形成斜面，将多层堆叠结构结合至该斜面，并且进行抛光等以成型。这样，可获取设置在导光板121内部的具有第一偏转单元130和第二偏转单元140的导光单元120。
这里，在示例1或后述的示例2～5以及示例7～8中，由光学玻璃或塑料材料形成的导光板121、221具有两个平行表面(第一表面122、222以及第二表面123、223)，这两个平行表面平行于通过全反射传播到导光板121、221的内部的光的方向(Y方向)延伸。第一表面122、222以及第二表面123、223彼此面对。然后，平行光束进入第一表面122、222(其相当于光入射面)，通过全反射传播到内部，并且然后从第一表面发射(其相当于光发射面)。然而，该构造不局限于此，并且第二表面123、223可构成光入射面，并且第一表面122、222可构成光发射面。
每个图像生成装置111放置在壳体113(在图1中由点划线指示)中，壳体113中设置有开口(未示出)，并且光经由该开口从平行光发射光学系统(准直光学系统112)中被发射。
由放置在观察者20的前侧的前端单元11、通过铰链12可旋转地连接至前端单元11的两个端部的两个镜腿单元13以及连接至每个镜腿单元的梢部的端盖(也称为顶端元件、耳软垫或耳垫)14形成框架10。也可连接有鼻垫10'。即，框架10和鼻垫10'的组件具有与普通眼镜基本大体相同的结构。另外，使用连接件19将每个壳体113连接至镜腿单元13。使用金属或塑料来制作框架10。可使用连接件19将每个壳体113可拆卸地连接至镜腿单元13。此外，对于拥有并佩戴眼镜的观察者，可使用连接件19将每个壳体113可拆卸地连接至观察者本人眼镜的框架的镜腿单元。
另外，从图像生成装置111A、111B中延伸的配线(例如信号线和电源线)经由镜腿单元13和端盖14的内部从端盖14的梢部向外部延伸，并且连接至控制装置(控制电路或控制单元)18。图像信号从外部被无线发送至控制装置18，或者例如在控制装置18中存储图像信号(图像数据)。然后，在控制装置18中，对图像信号进行显示图像的处理。控制装置18可包括已知电路。另外，每个图像生成装置111A、111B包括耳机单元16，并且从每个图像生成装置111A、111B中延伸的用于耳机单元的配线16'经由镜腿单元13和端盖14的内部从端盖14的梢部向耳机单元16延伸。更具体地，用于耳机单元的配线16'通过卷绕耳廓(听囊)的背部的方式从端盖14的梢部延伸至耳机单元16。利用这种构造，耳机单元16和用于耳机单元的配线16'不会造成放置不整齐的印象，从而可实现整洁的图像显示设备。
此外，在必要时，通过恰当的连接件(未示出)将包括由CCD或CMOS传感器形成的固态成像元件(未示出)和透镜(未示出)的成像装置17连接至前端单元11的中心部11'。来自成像装置17的信号经由从成像装置17延伸的配线(未示出)被发送至图像生成装置111A。
在示例1的图像显示设备、图像生成装置或透射式平行光调制装置中，在假定从光源发射并进入像素的光的入射立体角为ωin，并且假定穿过该像素并从对应于该像素的微透镜中发射的光的发射立体角为ωout时，满足ωout>ωin。因此，由于即使在使得来自光源的光以小入射立体角进入透射式空间光调制装置时，可最终将从透射式空间光调制装置中发射的光的发射立体角变大(见图2A)，从而避免出现图像中对比度的下降，同时限制图像中发生光晕。
而图23B示意地示出了从X-Z平面观察的进入位于相关技术的图像生成装置的中心的像素并从该像素中发射的光的传播状态，例如假定入射光的入射立体角为图2A所示的发射立体角ωout，进入特定像素152的光也进入与该特定像素152临近的像素，因此，处于不期望的偏振状态的光穿过临近像素，从而出现图像中对比度下降。可选地，在使得来自光源的光以大入射立体角进入透射式空间光调制装置时，进入液晶层的光束的角度与直角差别很大，从而发生双折射，这导致线性偏振光的椭圆化或者整个偏振器(包括入射侧偏振器和发射侧偏振器的组合)中的低消光比，进而出现图像中对比度的减小。
示例2
示例2是示例1的变形例。图7示出了示例2的图像显示设备的概念图，并且图2C示例地示出了从X-Z平面观察的进入位于示例2的图像生成装置的中心的像素并从该像素中发射的光的传播状态。示例2的透射式空间光调制装置150包括在其入射侧上的包括与每个像素152相对应的第二微透镜173的第二微透镜阵列172。然后，在将从光源160中发射并进入第二微透镜173的光的入射立体角假定为ωin-2，将从第二微透镜173中发射的光的发射立体角(光的扩展角)假定为ωou-2时，满足ωout>ωin＝ωout-2>ωin-2。换言之，用于照射第二微透镜的照射光的f数大于用于照射透射式空间光调制装置的照射光的f数。照射光通过第二微透镜汇集在透射式空间光调制装置的像素上，并且因此可以防止因照射光与形成在透射式空间光调制装置中的黑底(不透射光的部分)的冲突而发生的照射光中的损耗。
可选地，如图8中示例2的图像显示设备的变形例的概念图所示，可采用如下模式，其中，透射式空间光调制装置150在其光入射侧上包括光扩散板174。光扩散板174的构造和结构本身可以是那些已知的光扩散板。
示例3
示例3是示例1～示例2的变形例。图9A和图9B示意地示出了从X-Z平面观察的从位于示例3的图像生成装置中心处的像素中发射的光的传播状态以及从X-Y平面观察的光的传播状态。此外，图10A示意地示出了从示例3的图像生成装置中发射的光的传播状态，该光由导光单元引导，进而到达位于与X-Z平面和X-Y平面相对应的平面中的眼睛；图10B示意地示出了从图像生成装置的每个像素中发射的光；图10C示出了从侧面观察导光单元以说明导光单元与中心入射光束之间的关系的图。
在示例3的图像生成装置111中，可采用如下构造，其中，在将从图像生成装置111的中心发射的光进入导光单元120、220、320的点假定为O点(导光单元中心点O)时，将穿过O点的导光单元120、220、320的位置中的法线假定为X轴，穿过O点的导光单元120、220、320的部分中的导光单元的轴线假定为Y轴，从图像生成装置111的中心发射并在O点处进入导光单元120、220、320的光(中心入射光束CL)的光轴假定为ζ轴，并且包括ζ轴和Y轴的虚拟平面假定为ζ-Y平面，从图像生成装置111发射并在点(0，Y1，Z1)处进入导光单元120、220、320的光与ζ-Y平面形成角θZ，并与X-Z平面形成角θY，并且在Z1≠0的情况下，满足θZ≠θY。这样，在Z1≠0的情况下满足θZ≠θY使得可以可靠地防止在从导光单元120、220、320中发射的某些光束未到达眼睛21时出现某种光晕的现象的发生，并且可实现从图像生成装置111中发射的光的利用效率的进一步提高，并且从而可实现图像生成装置111中功耗的进一步降低。然后，在这种构造中，可采用如下构造，其中，无论Y1的数值如何，θY的值为常数，并且随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值也增加。这里，可采用如下模式，其中，随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值单调增加或阶跃式增加。在无论Y1的数值如何，θY的值为常数时，具体地(但不局限于此)，例如仅需要θY＝0。另外，可采用如下构造，其中，根据(0，Y1，Z1)的值，对像素152的光轴相对于对应于该像素152的微透镜171的光轴的偏移量进行限定。可选地，可采用如下构造，其中，基于(0，Y1，Z1)的值倾斜微透镜171的光轴，而不是基于(0，Y1，Z1)的值使得像素的光轴相对于与该像素相对应的微透镜171的光轴偏移，并且在这种情况下，仅需要恰当地设计微透镜171的发光面的曲率。
现在，在示例3中，由于ζ轴与X轴一致，η轴与Y轴一致，并且ξ轴与Z轴一致，因此X-Y平面、X-Z平面以及Y-Z平面与ζ-η平面、ζ-ξ平面以及η-ξ平面重合，并且此外ζ-Y平面与X-Y平面重合。然后，从图像生成装置111发射并在点(0，Y1，Z1)处进入导光单元120、220、320的光与ζ-Y平面(示例中的X-Y平面)成倾斜角θZ，与X-Z平面成倾斜角θY，并且在Z1≠0时，满足θZ≠θY。在光(中心入射光束CL)从图像生成装置111中发射并在点(0，0，0)处进入导光单元120、220、320时，在将光进入导光单元120、220、320的X-Y平面的入射角(X-Y平面入射角)假定为θZ0时，θZ0＝0度(见图10C)。而且，将θY假定为0度。
然后，在示例3中，无论Y1的数值如何，θY的值为常数，并且随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值也增加。可采用随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值单调增加的模式，或可采用倾斜角θZ的绝对值阶跃式增加的模式。基于图像显示设备、图像生成装置以及导光单元的说明与设计，仅需通过多种测试和仿真来优化后述的倾斜角θZ的值和偏离量。
图9A示意地示出了从X-Z平面观察的从位于示例3的图像生成装置111(具体为透射式空间光调制设备150)的上端的像素152E中发射并且已经穿过相对应的微透镜171E的光的传播状态，并且图9B示意地示出了从X-Y平面观察的光的传播状态。从X-Z平面和X-Y平面观察，从位于示例3的图像生成装置111的中心的像素152中发射并且已经穿过相对应的微透镜的光的传播状态与图2A和图2B中示意地示出的相同。
这里，基于(0，Y1，Z1)的值限定像素152的光轴AX1(穿过像素152的中心的法线)相对于与该像素152相对应的微透镜171的光轴AX2(穿过微透镜171的中心的法线)的偏移量。在图2A和图2B所示的示例中，光是从位于示例3的图像生成装置111的中心的像素中发射的光，于是，(0，Y1，Z1)为(0，Y1，0)，并且像素152的光轴AX1相对于与该像素152相对应的微透镜171的光轴AX2的偏移量为“0”。另一方面，在图9A的示例中，光是从位于示例3的图像生成装置111的上端的像素152E中发射的光，于是，像素152的光轴AX1相对于与该像素152相对应的微透镜171的光轴AX2的偏移量为最大值。现在，随着倾斜角θZ的增加，从准直光学系统112到眼睛21的距离变长，并且通常出现图像中对比度的下降。因此，仅需要实现对像素152的光轴AX1相对于与该像素152相对应的微透镜171的光轴AX2的偏移量的优化，从而即使从准直光学系统112到眼睛21的距离变长，可使得图像中对比度的降低最小化。图10B示意地示出了从图像生成装置111的每个像素152中发射的光，并且在图10B中，圆圈表示像素152，并且像素152中所描绘的箭头或点示意地表示从像素152中发射并已经穿过微透镜阵列170的光的方向。
此外，从微透镜171中发射的光的发射立体角(发射角，发散角)ωout大于像素152上的入射立体角ωin(见图9A)。从微透镜171中发射的光的发射立体角(光的扩展角)是将光束投射在X-Z平面上时的角度。
图10A示意地示出了从示例3的图像生成装置111中发射、由导光单元120引导并到达位于与X-Z平面和X-Y平面相对应的平面中的眼睛21的光。现在，按照这种方式，在示例3中，由于随着Z1的绝对值增加，倾斜角θZ的绝对值也增加，因此，能够使得从图像生成装置111中发射、穿过微透镜阵列170和平行光发射光学系统(准直光学系统112)并由导光单元120引导的全部光束(如图10A中的细点线R3所表示)到达眼睛21。因此，可实现从图像生成装置111中发射的光的利用效率的进一步提高，并且可实现图像生成装置111中的功耗的进一步降低。
示例4
示例4是示例1～示例3的图像显示设备的变形例。示例4的图像显示设备包括第二模式导光单元。图11A示出了示例4的图像显示设备200的概念图。此外，图11B示出了反射型体积全息衍射光栅的一部分的示意放大剖面图。除第一偏转单元和第二偏转单元的构造和结构外，导光单元220与示例1的导光单元120基本具有相同的构造和结构。
在示例4中，第一偏转单元和第二偏转单元布置在导光板221的表面(具体地，导光板221的第二表面223)上。然后，第一偏转单元衍射已经进入导光板221的光，并且第二偏转单元多次衍射通过全反射传播到导光板221的内部的光。这里，使用衍射光栅元件形成第一偏转单元和第二偏转单元，具体地使用反射型衍射光栅元件形成第一偏转单元和第二偏转单元，更加具体地使用反射型体积全息衍射光栅形成第一偏转单元和第二偏转单元。在下面的描述中，为方便起见，将由反射型体积全息衍射光栅形成的第一偏转单元称为“第一衍射光栅元件230”，并且将使用反射型体积全息衍射光栅形成的第二偏转单元称为“第二衍射光栅元件240”。
然后，在示例4中，第一衍射光栅元件230和第二衍射光栅元件240包括单层衍射光栅层。适用于一种波长段(或波长)的干涉条纹形成于由光聚合物材料形成的每个衍射光栅层中，并且由相关技术的方法制造。形成于衍射光栅层(衍射光学元件)中的干涉条纹的间距为常数，并且干涉条纹是线性状并平行于Z轴延伸。第一衍射光栅元件230和第二衍射光栅元件240的轴线与Y轴平行，并且法线与X轴平行。
也可采用如下构造，其中，通过堆叠由反射型体积全息衍射光栅形成的P层衍射光栅层来形成第一衍射光栅元230件或第二衍射光栅元件240，以便适用于具有P种波长段(或波长)的P种光(具体地，P＝3:红、绿和蓝三种类型)的衍射和反射。适用于一种波长段(或波长)的干涉条纹形成于由光聚合物材料形成的每个衍射光栅层中，并且通过相关技术的方法制造。更具体地，第一衍射光栅元件230和第二衍射光栅元件240各自具有如下结构，其中，用于衍射和反射红光的衍射光栅层、用于衍射和反射绿光的衍射光栅层和用于衍射和反射蓝光的衍射光栅层彼此堆叠。在衍射光栅层(衍射光栅元件)中形成的干涉条纹的间距是常数，并且干涉条纹是线性状并平行于Z轴延伸。在图11A中，第一衍射光栅元件230和第二衍射光栅元件240图示为单层。采用这种构造使得当由第一衍射光栅元件230或第二衍射光栅元件240对具有各个波长段(或波长)的光进行衍射和反射时，可实现衍射效率的增加、大衍射接收角以及最优的衍射角。
图11B示出了反射型体积全息衍射光栅的一部分的示意放大剖面图。在反射型体积全息衍射光栅中，形成了倾斜角(倾斜角度)为φ的干涉条纹。这里，倾斜角(倾斜角度)φ表示在反射型体积全息衍射光栅的表面和干涉条纹之间形成的角度。干涉条纹形成为从内部延伸至反射型体积全息衍射光栅的表面。干涉条纹满足布拉格条件(Bragg'scondition)。这里，布拉格条件指满足以下方程式(A)的条件。在方程式(A)中，m表示正整数，λ表示波长，d表示光栅平面中的间距(包括干涉条纹的虚拟平面的法线方向上的间隔)，并且Θ表示与干涉条纹上的入射角互补的角度。此外，在光以入射角ψ进入衍射光栅元件的情况下，Θ、倾斜角(倾斜角度)φ以及入射角ψ之间的关系为如方程式(B)所示。
m·λ＝2·d·sin(Θ) (A)
Θ＝90°-(φ+ψ) (B)
如上所述，第一衍射光栅元件230布置在(结合至)上述的导光板221的第二表面223上，并且衍射和反射已经进入导光板221的平行光束，使得从第一表面222已经进入导光板221的该平行光束在导光板221内部被完全反射。另外，如上所述，第二衍射光栅元件240布置在(结合至)上述的导光板221的第二表面223上，并且多次衍射和反射通过全反射传播到导光板221的内部的平行光束，并从导光板221的第一表面222中作为平行光束发射光。然而，该构造不局限于此，并且第二表面223可构成导光板的入射表面，而第一表面222可构成导光板的发射表面。
然后，同样平行光束通过全反射传播到导光板221的内部，并且然后被发射出去。可选地，红、绿和蓝三种颜色的平行光束通过全反射传播到内部，并且然后被发射出去。此时，由于导光板221很薄，并且光在导光板221内部传播的光路很长，直到光到达第二衍射光栅元件240时的全反射的次数根据每个视角(水平视角)而不同。更具体地，在进入导光板221的平行光束之中，以沿朝向第二衍射光栅元件240的方向的角度(水平视角)进入的平行光束的反射的次数低于以沿远离第二衍射光栅元件240的方向的角度进入的平行光束的反射的次数。这是因为由第一衍射光栅元件230衍射和反射并以沿朝向第二衍射光栅元件240的方向的角度进入导光板221的平行光束，与以沿和其相反方向的角度进入导光板221的平行光束相比，当传播到导光板221内部的光与导光板221的内表面相遇时，与导光板221的法线形成更大的角度。此外，在第二衍射光栅元件240中形成的干涉条纹的形状和在第一衍射光栅元件230中形成的干涉条纹的形状相对于导光板221的X-Z平面处于对称关系。
除上述区别外，示例4的图像显示设备和头戴式显示器与示例1至～示例3的图像显示设备和头戴式显示器具有相同的构造和结构，并且因此省略它们的详细描述。
示例5
示例5是示例1至示例4的图像显示设备的变形例。图12A示出了从侧面观察的示例5的图像显示设备的示意图。
在示例1至示例4中，在图像显示设备100、200中，采用如下设计，其中，从图像生成装置111的中心发射并穿过平行光发射光系统112的位于图像生成装置侧上的节点的中心入射光束CL以入射角(X-Y平面入射角)θZ0进入0度的导光板121、221的X-Y平面。即，θZ0＝0度(见图10C)。
即，如图24B所示，在由图像显示设备100表示的这种图像显示设备中，从位于准直光学系统112的光轴上的图像生成装置111的中心发射的中心入射光束CL被准直光学系统112转换为大致平行光束，并然后进入导光板121的第一表面(入射表面)122。然后，由第一偏转单元130在第一表面122和第二表面123之间对中心入射光束CL进行全反射的同时，中心入射光束CL沿着传播方向A传导。然后，通过第二偏转单元140对该中心入射光束CL进行反射和衍射，将其从X-Y平面中的导光板121的第一表面122中发射，从而到达观察者20的眼睛21。
在透明型图像显示设备中，优选地将导光单元120、220放置在水平方向中观察者视线(观察者的水平视线)的下方，从而使得在观察者20观察位于水平方向中的观察目标时，导光单元120、220不会造成干扰。在这种情况下，整个图像显示设备100、200布置在观察者的水平视线的下方。现在，在这种构造中，如图12B中相关技术的图像显示设备的模式中所示，需要以角度θZ0"倾斜图像显示设备100，并且因与安装至观察者头部的眼镜型框架的连接单元(镜腿单元)之间的关系，存在图像显示设备100可被倾斜的角度θZ0"被限制或设计自由度变低的情况。因此，还期望实现以高自由度被放置并且也具有高设计自由度的图像显示设备，从而不会干涉观察者的水平视线。
在示例5中，采用如下构造，其中，中心入射光束CL以非0度的角度(θZ0≠0)与X-Y平面相交(见图10D和图12A，二者为从侧面观察的导光单元的图，以便解释导光单元和中心入射光束之间的关系)。中心入射光束CL包括在X-Z平面中。此外，在示例5中，中心入射光束CL与X-Y平面相交的角度θZ0为仰角。即，中心入射光束从X-Y平面的下侧向X-Y平面传导，并与X-Y平面相遇。然后，X-Y平面以非0度的角度、具体地以角度θZ0与垂直面相交。
在示例5中，θZ0＝5度。即，导光单元120、220相对于垂直面倾斜角度θZ0。换言之，导光单元120、220相对于水平面倾斜角度(90-θZ0)。此外，从导光单元120、220中发射的中心入射光束CL相对于水平面倾斜角度2θZ0。即，在观察者20观察水平方向、无穷远方向中的目标时，从导光单元120、220中发射并进入观察者20的眼睛21的中心入射光束CL形成俯角θZ0'(＝2θZ0)。中心入射光束CL与导光单元120、220的法线形成的角度为θZ0。
在示例5的图像显示设备中，中心入射光束CL以非0度的角度θZ0与X-Y平面相交。这里，从导光单元120、220中发射并进入观察者20的眼睛21的中心入射光束CL形成俯角θZ0'，具有如下关系：θZ0'＝2θZ0。同时，在图12B所示的示例中，为获取相同的俯角，需要将整个图像显示设备倾斜角度θZ0"，这里，θZ0"和θZ0的关系为：θZ0"＝2θZ0，并且，在图12B所示的示例中，最终整个图像显示设备相对于垂直面必须倾斜角度2θZ0。在示例5中，另一方面，仅需导光单元相对于垂直面倾斜角度θZ0，并且仅需保持图像生成装置水平。因此，在将图像显示设备连接到眼镜型框架的连接单元时，对图像显示设备的安装角度的限制很少，并且可获得设计的高自由度。此外，由于导光单元相对于垂直面的倾斜小于图12B所示的示例中的倾斜，因此难以出现外部光被导光单元反射并进入观察者20的眼睛21的现象。于是，可以显示具有更高质量的图像。
除上述区别外，示例5的图像显示设备具有与示例1至示例4的图像显示设备相同的构造和结构，因此省略它们的详细描述。
示例6
示例6也是示例1至示例4的图像显示设备的变形例。图13示出了从前侧观察的示例6的图像显示设备的示意图，并且图14示出了从上部观察的图像显示设备的示意图。
在示例6中，采用如下结构，其中，导光单元320包括半透射镜，该半透射镜用于接收从图像生成装置111A、111B中发射的光，并向观察者20的眼镜21发射该光。应当注意，在示例6中，从图像生成装置111A、111B中发射的光传播到诸如玻璃面板或塑料面板之类的透明件321中，并且进入导光单元320(半透射镜)；然而也可采用光通过空气传播，并进入导光单元320的结构。
图像生成装置111A、111B各自例如通过螺钉连接至前端单元11。此外，元件321连接至图像生成装置111A、111B中的每者，并且导光单元320(半透射镜)连接至元件321。除上述区别外，示例6的图像显示设备具有与示例1至示例4的图像显示设备大致相同的构造和结构，并且因此，省略它们的详细描述。
示例7
示例7涉及本发明的图像显示设备，具体地，涉及其中结合有示例1至示例6中所述的图像显示设备100、200、300的头戴式显示器。图15示出了从前侧观察的示例7的头戴式显示器的示意图，并且图16示出了从前侧观察的示例7的头戴式显示器(然而，是假定移除框架时的状态)的示意图。此外，图17示出了从上部观察的示例7的头戴式显示器的示意图。在下面的描述中，基于图像显示设备100对图像显示设备进行描述，但是毋庸置疑，也可以适用图像显示设备200、300。
示例7的头戴式显示器包括：
(A)眼镜型框架10，其安装至观察者20的头部；以及
(B)两个图像显示设备100。示例7或后述的示例8中的头戴式显示器也被制作成包括两个图像显示设备100的双目型。
然后，示例7的头戴式显示器还包括用于接合两个图像显示设备100的接合件30。例如，接合件30使用螺钉(未示出)与位于观察者20的双眼21之间的前端单元11的中心部11'(相当于普通眼镜的桥部)的面对观察者的一侧(即，在观察者20和框架10之间)连接。鼻垫10'也连接至接合件30的面对观察者20的一侧。在图17和图20中未示出鼻垫10'。框架10和接合件30由金属或塑料制成，并且接合件30的形状为弯曲棍状。
接合件30的投影图像包括在框架10的投影图像中。即，在从观察者20前方观察头戴式显示器时，接合件30被框架10隐藏，并且从视觉上不能识别出接合件30。此外，两个图像显示设备100通过接合件30接合，具体地，图像生成装置111A、111B放置在壳体113中，并且壳体113以可调节连接状态的方式连接至接合件30的每个端部。然后，图像生成装置111A、111B各自被放置在观察者20的眼睛21的外侧。具体地，在将一个图像生成装置111A的连接单元中心111AC与框架10的一端(一个末端)10A之间的距离假定为α，将从接合件30的中心30C至框架10的一端(一个末端)10A之间的距离假定为β，将另一图像生成装置111B的连接单元中心111BC与框架10的一端(一个末端)10A之间的距离假定为γ，并将框架的长度假定为L时，
α＝0.1×L,
β＝0.5×L,
γ＝0.9×L。
具体地，例如，通过在接合件的每个端部设置三个通孔(未示出)，并且在图像生成装置111A、111B中设置与通孔相对应的具有丝攻(tap)的孔部(螺钉部，未示出)，将螺钉(未示出)穿过各自的通孔，并将螺钉旋拧至设置在图像生成装置111A、111B中的孔部，从而将图像生成装置(具体地，图像生成装置111A、111B)与接合件30的每个端部连接。预先在每个螺钉和每个孔部之间插入弹簧。这样，可通过螺钉的紧固状态来调节图像生成装置的连接状态(图像生成装置相对于接合件的倾斜)。在连接之后，螺钉被盖体(未示出)隐藏。应当注意，在图16和图19中，接合件30、40由斜线标记，使得清晰地示出接合件30、40。
这样，在示例7的头戴式显示器(HMD)中，接合件30接合两个图像显示设备100，并且该接合件30连接至位于观察者20的双眼21之间的框架10的中心部11'。即，每个图像显示设备100具有不与框架10直接连接的结构。因此，当观察者20在头部佩戴框架10时，镜腿单元13变成向外侧展开的状态，并因此，即使在框架10变形时，也不会因框架10的变形而出现图像生成装置111A、111B的移动(位置的变化)，或者如果出现也是极小的移动。因此，能够可靠地避免右和左图像的会聚角度的变化。此外，由于无需增加框架10的前端单元11的刚性，因此不会引起框架10质量增加、设计性降低以及成本增加。另外，由于图像显示设备100不直接与眼镜型框架10连接，因此能够根据观察者的喜好自由地选择框架10的设计、颜色等，并且对框架10的设计中的限制很少，而且设计上的自由度高。另外，在从观察者的前侧观察头戴式显示器时，接合件30被框架10隐藏。因此，可向头戴式显示器提供高的可设计性和设计特性。
示例8
示例8是示例7的变形例。图18示出了从前侧观察的示例8的头戴式显示器的示意图，并且图19示出了从前侧观察的示例8的头戴式显示器(然而，是假定移除框架时的状态)的示意图。此外，图20示出了从上部观察的示例8的头戴式显示器的示意图。
与示例7不同，在示例8的头戴式显示设备中，棍状的接合件40接合两个导光单元120，而不是接合两个图像生成装置111A、111B。应当注意，也可采用如下模式，其中，一体地制造两个导光单元120，并且接合件40连接至一体地制造的导光单元120。
这里，在示例8的头戴式显示器中，也使用例如螺钉将接合件40连接至位于观察者20的双眼21之间的框架10的中心部11'，并且每个图像生成装置111放置在观察者20的眼睛21的外侧。每个图像生成装置111连接至导光单元120的端部。在假定从接合件40的中心40C到框架10的一端的距离为β，并假定框架10的长度为L时，满足β＝0.5×L。在示例8中，α'的值和γ'的值与示例7的α的值和γ的值相同。
在示例8中，框架10和每个图像显示设备与示例7中所述的框架10和图像显示设备具有相同的构造和结构。因此，省略它们的详细描述。此外，除上述区别外，示例8的头戴式显示器与示例7的头戴式显示器具有相同的构造和结构，因此省略它们的详细描述。
如上，尽管基于优选实施例描述了本发明，但是本发明不局限于那些实施例。实施例中所描述的图像显示设备和图像生成装置的构造和结构是示意性的，并且可酌情变化。尽管在实施例中，两个偏转单元布置在一个导光板中，但是用于发射来自导光板的光的一个偏转单元可设置在一个导光板中，并且在这种情况下，仅需使得光进入导光板的端面。此外，尽管在实施例中，微透镜阵列布置在透射式空间光调制装置的光发射侧(与透射式空间光调制装置邻近)，但是微透镜阵列可布置成与透射式空间光调制装置接触，或者与透射式空间光调制装置一体地布置，并且位于透射式空间光调制装置的内部。在后一种情况下，可通过在用于构成透射式空间光调制装置的透明基板(发射侧的透明基板)的内表面中形成凹部，并且由与构成透明基板的材料的折射率具有不同折射率的透明材料填充该凹部来形成微透镜。可选地，也可通过在位于构成透射式液晶显示装置的透明基板(发射侧的透明基板)和液晶层之间的平坦化层中形成凹部，并且由与用于构成平坦化层的材料的折射率具有不同折射率的透明材料填充该凹部来形成微透镜。除了将发射侧上的透明基板替换为入射侧上的透明基板外，上述情况同样适用于第二微透镜。
尽管在示例3中，Y方向相对于观察者几乎为水平方向，但是根据图像显示设备、图像生成装置以及导光单元的放置状态，Y方向可以相对于观察者几乎为垂直方向。另外，角度θY可以是非0角度，并且在这种情况下，优选地，在点(0，Y1，Z1)进入导光单元的光以与导光单元中的导光方向相反的方向传导，并且进入导光单元，即在点(0，Y1，Z1)进入导光单元的光与导光单元中的导光方向整体形成锐角，换言之，在点(0，Y1，Z1)进入导光单元的光在X-Y平面上的投影图像与Y轴之间形成的角度为锐角。
此外，例如，表面浮凸全息图(surface-relief hologram)(见US2004/0062505A1)可放置在导光板上。此外，在示例4的导光单元中，也可采用如下构造，其中，使用透射式全息成像形成的第一偏转单元布置在导光板221的第一表面232上，并且使用反射式全息成像形成的第二偏转单元布置在第二表面223上。在这种构造中，进入第一偏转单元的光被衍射，在导光板中满足全反射条件，并且光传播并到达第二偏转单元。然后，光被第二偏转单元衍射和反射，并且从导光板中发射出去。另外，在示例4的导光单元中，衍射光栅元件可包括透射式衍射光栅元件，或可采用如下模式，其中，在第一偏转单元和第二偏转单元中任一者包括反射式衍射光栅元件时，另一者包括透射式衍射光栅元件。可选地，衍射光栅元件可以是反射式发光衍射光栅元件或者表面浮凸全息图。尽管在实施例中仅描述了包括两个图像显示设备的双目型，但是可以采用包括一个图像显示设备的单目型。
应当注意，本发明也可具有如下所述的构造。
[1]一种图像显示设备，其包括：
(A)图像生成装置，其包括光源以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置；以及
(B)导光单元，其用于引导来自所述图像生成装置的光，并且向观察者的眼睛发射所述光，其中，
所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，并且
当将从所述光源进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
[2]如[1]所述的图像显示设备，其中，
所述透射式空间光调制装置在其光入射侧上包括第二微透镜阵列，所述第二微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的第二微透镜，并且
当将从所述光源进入所述第二微透镜的光的入射立体角假定为ωin-2，并且将从所述第二微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout-2，满足ωout>ωin＝ωout-2>ωin-2。
[3]如[1]所述的图像显示设备，其中，所述透射式空间光调制装置在其光入射侧上包括光扩散板。
[4]如[1]所述的图像显示设备，其中，
所述图像生成装置还包括导光管，并且
从所述光源中发射的光经由所述导光管进入所述透射式空间光调制装置。
[5]如[1]所述的图像显示设备，其中，
在将从所述图像生成装置的中心发射的光进入所述导光单元的点假定为O点时，将穿过O点的所述导光单元的部分中的法线假定为X轴，穿过O点的所述导光单元的部分中的所述导光单元的轴线假定为Y轴，将从所述图像生成装置的中心发射并在O点处进入所述导光单元的光的光轴假定为ζ轴，并且将包括所述ζ轴和所述Y轴的虚拟平面假定为ζ-Y平面，从所述图像生成装置发射并在点(0，Y1，Z1)处进入所述导光单元的光与ζ-Y平面形成角θZ，并与X-Z平面形成角θY，并且
在Z1≠0的情况下，满足θZ≠θY。
[6]如[5]所述的图像显示设备，其中，
无论Y1的值如何，θY的值为常数，并且
θZ的绝对值随着Z1的绝对值的增加而增加。
[7]如[6]所述的图像显示设备，其中，随着Z1的绝对值的增加，θZ的绝对值单调增加或阶跃式增加。
[8]如[6]所述的图像显示设备，其中，所述像素的光轴相对于与所述像素相对应的所述微透镜的光轴的偏移量是基于(0，Y1，Z1)的值来限定的。
[9]如[1]所述的图像显示设备，其中，所述微透镜阵列是由柱形透镜阵列或畸变透镜阵列形成的。
[10]如[1]所述的图像显示设备，其中，所述导光单元包括：
(B-1)导光板，其用于通过全反射将入射光传播到其中，并然后发射该光；
(B-2)第一偏转单元，其用于偏转已经进入所述导光板的光，以使得已经进入所述导光板的光在所述导光板内部被全发射；以及
(B-3)第二偏转单元，其用于多次偏转通过全反射传播到所述导光板的内部的光，以使得从所述导光板中发射通过全反射传播到所述导光板的内部的光。
[11]如[1]所述的图像显示设备，其中，所述透射式空间光调制装置由透射式液晶显示装置形成。
[12]一种图像生成装置，其用于通过全反射将入射光传播到其中，并且然后向导光单元发射该光，所述导光单元包括利用偏转单元来发射光的导光板，所述图像生成装置包括：
光源以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置，
其中，所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，并且
当将从所述光源进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
[13]如[12]所述的图像生成装置，其中，所述偏转单元包括：
第一偏转单元，其用于偏转已经进入所述导光板的光，以使得已经进入所述导光板的光在所述导光板内部被全发射；以及
第二偏转单元，其用于多次偏转通过全反射传播到所述导光板的内部的光，以使得从所述导光板中发射通过全反射传播到所述导光板的内部的光。
[14]一种透射式空间光调制装置，其由布置成二维矩阵的像素形成，
所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，
其中，在将从光源中发射并进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
附图标记列表
10 框架
10’ 鼻垫
11 前端单元
12 铰链
13 镜腿单元
14 端盖
15 配线(信号线或电源线)
16 耳机单元
16’ 用于耳机单元的配线
17 成像装置
18 控制装置(控制电路)
19 连接件
20 观察者
21 眼睛
30,40 接合件
100,200,300 图像显示设备
111,111A,111B 图像生成装置
112 平行光发射光学系统(准直光学系统)
113 壳体
120,220,320 导光单元
121,221 导光板
122,222 导光板的第一表面
123,223 导光板的第二表面
321 元件
124,125 导光板的一部分
130 第一偏转单元
140 第二偏转单元
230 第一偏转单元(第一衍射光栅元件)
240 第二偏转单元(第二衍射光栅元件)
150 透射式空间光调制装置
151 导光管
152 像素
160 光源
170 微透镜阵列
171 微透镜
172 第二微透镜阵列
173 第二微透镜
174 光扩散板

Claims (14)

1.一种图像显示设备，其包括：
(A)图像生成装置，其包括光源以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置；以及
(B)导光单元，其用于引导来自所述图像生成装置的光，并且向观察者的眼睛发射所述光，其中，
所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，并且
当将从所述光源进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
2.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，
所述透射式空间光调制装置在其光入射侧上包括第二微透镜阵列，所述第二微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的第二微透镜，并且
当将从所述光源进入所述第二微透镜的光的入射立体角假定为ωin-2，并且将从所述第二微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout-2，满足ωout>ωin＝ωout-2>ωin-2。
3.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述透射式空间光调制装置在其光入射侧上包括光扩散板。
4.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，
所述图像生成装置还包括导光管，并且
从所述光源中发射的光经由所述导光管进入所述透射式空间光调制装置。
5.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，
在将从所述图像生成装置的中心发射的光进入所述导光单元的点假定为O点时，将穿过O点的所述导光单元的部分的法线假定为X轴，穿过O点的所述导光单元的部分的所述导光单元的轴线假定为Y轴，将从所述图像生成装置的中心发射并在O点处进入所述导光单元的光的光轴假定为ζ轴，并且将包括所述ζ轴和所述Y轴的虚拟平面假定为ζ-Y平面，从所述图像生成装置发射并在点(0，Y1，Z1)处进入所述导光单元的光与ζ-Y平面形成角θZ，并与X-Z平面形成角θY，并且
在Z1≠0的情况下，满足θZ≠θY。
6.如权利要求5所述的图像显示设备，其中，
无论Y1的值如何，θY的值为常数，并且
θZ的绝对值随着Z1的绝对值的增加而增加。
7.如权利要求6所述的图像显示设备，其中，随着Z1的绝对值的增加，θZ的绝对值单调增加或阶跃式增加。
8.如权利要求6所述的图像显示设备，其中，所述像素的光轴相对于与所述像素相对应的所述微透镜的光轴的偏移量是基于(0，Y1，Z1)的值来限定的。
9.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述微透镜阵列是由柱形透镜阵列或畸变透镜阵列形成的。
10.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述导光单元包括：
(B-1)导光板，其用于通过全反射将入射光传播到其中，并然后发射该光；
(B-2)第一偏转单元，其用于偏转已经进入所述导光板的光，以使得已经进入所述导光板的光在所述导光板内部被全发射；以及
(B-3)第二偏转单元，其用于多次偏转通过全反射传播到所述导光板的内部的光，以使得从所述导光板中发射通过全反射传播到所述导光板的内部的光。
11.如权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述透射式空间光调制装置由透射式液晶显示装置形成。
12.一种图像生成装置，其用于通过全反射将入射光传播到其中，并且然后向导光单元发射该光，所述导光单元包括利用偏转单元来发射光的导光板，所述图像生成装置包括：
光源以及由布置成二维矩阵的像素形成的透射式空间光调制装置，
其中，所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，并且
当将从所述光源进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
13.如权利要求12所述的图像生成装置，其中，所述偏转单元包括：
第一偏转单元，其用于偏转已经进入所述导光板的光，以使得已经进入所述导光板的光在所述导光板内部被全发射；以及
第二偏转单元，其用于多次偏转通过全反射传播到所述导光板的内部的光，以使得从所述导光板中发射通过全反射传播到所述导光板的内部的光。
14.一种透射式空间光调制装置，其由布置成二维矩阵的像素形成，
所述透射式空间光调制装置在其光发射侧上包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括与每个所述像素相对应的微透镜，
其中，在将从光源中发射并进入所述像素的光的入射立体角假定为ωin，并且将穿过所述像素并从与所述像素相对应的所述微透镜中发射的光的发射立体角假定为ωout时，满足ωout>ωin。
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