CN110537136A - 光学装置、图像显示装置及显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中并由所述光学装置引导及射出，所述光学装置包括：导光板30、第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43。第一偏转部件41使入射到导光板30上的光偏转从而使得所述光在导光板30中被全反射。第二偏转部件42使经全反射而在导光板30中传播的光偏转从而使得所述光从导光板30射出。第三偏转部件43使经第一偏转部件41偏转并且经全反射而在导光板30中传播的所述光朝向第二偏转部件42偏转。从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出的光在导光板上的入射角是非零度角，并且从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出的光的单位向量和所述光从导光板射出时的单位向量方向相反。

Description

光学装置、图像显示装置及显示装置
技术领域
本公开内容涉及一种光学装置、一种包括所述光学装置的图像显示装置、以及一种包括所述图像显示装置的显示装置，更特定而言，涉及一种用作为头戴式显示器(HMD,Head-Mounted Display)的显示装置。
背景技术
近年已看到在开发用于在配置在观察者的眼睛前方的光学装置上显示来自图像形成装置的图像的头戴式显示器(HMD)上做出了锐意的努力。那么，在研究各种类型的头戴式显示器的同时，对增大显示图像的视角从而提供更加逼真的图像存在强烈需求。为了解决该需求，已知一种例如来自美国公开申请第2006/0132914A1号或美国公开申请第2014/0330966A1号的在包含于光学装置中的导光板上具有三个偏转部件的头戴式显示器。
另外，日本专利特开第2009-133998号公开一种图像显示装置，该图像显示装置包括：
(A)图像形成装置，所述图像形成装置具有布置在二维矩阵图案中的多个像素；
(B)准直光学元件，所述准直光学元件将从图像形成装置的像素射出的光转变成平行光束；和
(C)光学装置，所述光学装置接收、引导及射出由准直光学元件转变的沿不同方向行进的多个平行光束，
所述光学装置包括
(a)导光板，所述导光板在入射光通过全反射在所述导光板中传播后射出所述入射光，
(b)设置在所述导光板上的第一衍射光栅构件，所述第一衍射光栅构件包括反射式体积全息衍射光栅，并且以入射光在导光板中被全反射的方式衍射及反射入射到导光板中的光，和
(c)第二衍射光栅构件，所述第二衍射光栅构件包括反射式体积全息衍射光栅，设置在导光板上，衍射及反射通过全反射在导光板中传播的光，及从导光板射出所述光，其中
当第一衍射光栅构件的法线被设为Xi轴并且导光板的轴线被设为Yi轴时，其中所述法线具有位于第一衍射光栅构件的中心的原点，穿过第一衍射光栅构件的中心，并且其正方向朝向准直光学元件的一侧，导光板的轴线穿过所述原点，与Xi轴正交，并且其正方向朝向第二衍射光栅构件的一侧，
从位于图像形成装置的中心的像素射出并穿过准直光学元件的中心的中心光束光学平行于XiYi平面并以锐角与XiZi平面相交。
引用列表
专利文献
专利文献1：美国公开申请第2006/0132914A1号
专利文献2：美国公开申请第2014/0330966A1号
专利文献3：日本专利特开第2009-133998号
发明内容
技术问题
然而，在以上两个美国公开申请中公开的头戴式显示器中，从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出的光垂直地入射于偏转部件上，这使其不可能解决进一步增大显示图像的视角的需求。另外，日本专利特开第2009-133998号中公开的图像显示装置仅具有两个衍射光栅构件(第一和第二衍射光栅构件)，这使其不可能在导光板中仅沿从第一衍射光栅构件到第二衍射光栅构件的一个方向增大显示图像区域。然而，若设有三个衍射光栅构件，则可在导光板中沿两个方向增大显示图像区域。
因此，本公开内容的目的是提供一种被配置及构造为允许进一步增大显示图像的视角的光学装置、一种包括所述光学装置的图像显示装置、和一种包括所述图像显示装置的图像显示装置。
技术方案
用于实现上述目的的根据本公开内容的第一实施方式的一种光学装置是这样的光学装置：从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出。所述光学装置包括导光板和第一、第二和第三偏转部件。入射光通过全反射在导光板中传播后从导光板射出。第一偏转部件使入射导光板的光偏转从而所述光在导光板中被全反射。第二偏转部件使已通过全反射而在导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从导光板射出。第三偏转部件使已通过第一偏转部件偏转并且已通过全反射而在导光板中传播的光朝向第二偏转部件偏转。
假定第一和第二坐标系。在第一坐标系中，穿过第一偏转部件的中心点的导光板的法线与导光板相交的点被设为第一原点Oin，穿过第一原点Oin并朝向光从导光板射出的一侧延伸的导光板的法线被设为-Zin轴，并且与经第一偏转部件41而偏转并经全反射而在导光板中传播的光的行进方向平行并穿过第一原点Oin的轴被设为+Yin轴。在第二坐标系中，中心入射光束(从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并穿过第一原点Oin的光束)从导光板射出的点被设为第二原点Oout，穿过第二原点Oout并朝向光从导光板射出的一侧延伸的导光板的法线被设为-Zout轴，并且与+Yin轴平行并穿过第二原点Oout的轴被设为+Yout轴。
此时，中心出射光束(中心入射光束从导光板射出时的光束)与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。应注意，术语“全反射”表示内部全反射或在导光板中的全反射。
用于实现上述目的的根据本公开内容第二实施方式的一种光学装置是这样的光学装置：从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出。所述光学装置包括导光板和第一、第二和第三偏转部件。入射光通过全反射在导光板中传播后从导光板射出。第一偏转部件使入射导光板的光偏转，从而所述光在导光板中被全反射。第二偏转部件使已通过全反射而在导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从导光板射出。第三偏转部件使已通过第一偏转部件偏转并且已通过全反射而在导光板中传播的光朝向第二偏转部件偏转。
中心入射光束(从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出的光束)在导光板上的入射角是非零度角(非零度角)，并且中心入射光束的单位向量和中心出射光束(中心入射光束从导光板射出时的光束)的单位向量大小相等。
也就是说，在根据本公开内容第二实施方式的光学装置中，例如，当基于根据本公开内容第一实施方式的光学装置的第一坐标系由UvV(xV in-unit,yV in-unit,zV in-unit)表示中心入射光束的单位向量并且基于第二坐标系由Uv(xV out-unit,y V out-unit,zV out-unit)表示中心出射光束的单位向量时，
xV in-unit＝xV out-unit
yV in-unit＝yV out-unit
然后，当使用第一和第二坐标系作为参照时，在中心入射光束从第一、第二、第三或第四象限入射光学装置且从第五、第六、第七或第八象限射出的情况中，
zV in-unit＝zV out-unit
在中心入射光束从第五、第六、第七或第八象限入射光学装置且中心出射光束从第五、第六、第七或第八象限射出的情况中：
zV in-unit＝-zV out-unit
应注意，通过增加上标“v”来表示向量分量。
用于实现上述目的的本公开内容的第一或第二实施方式的图像显示装置包括图像形成装置和光学装置。从图像形成装置射出的光入射光学装置、在光学装置中被引导并从光学装置射出。
所述光学装置包括根据本公开内容第一或第二实施方式的光学装置。
用于实现上述目的的本公开内容的第一或第二实施方式的显示装置包括框架和图像显示装置。所述框架被佩戴于观察者的头部上。所述图像显示装置被安装到所述框架。
所述图像显示装置包括图像形成装置和光学装置。从所述图像形成装置射出的光入射所述光学装置，在所述光学装置中被引导，并且从所述光学装置射出。
所述光学装置包括根据本公开内容的第一或第二实施方式的光学装置。
发明的有益效果
在从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并沿着±Zin轴穿过第一原点Oin的光束通过第一、第三和第二偏转部件而偏转并且沿着-Zout轴从导光板射出的情况中获取的显示图像不以垂直或水平对称的方式围绕第二坐标系的-Zout轴扩展。也就是说，显示图像例如关于XoutYout平面中的Xout轴不以对称方式扩展，或者关于Yout轴不以对称方式扩展。因此，难以通过使用这种光学装置增大从导光板射出的显示图像的视角。
然而，在根据本公开内容的第一和第二实施方式的光学装置、根据本公开内容第一和第二实施方式的图像显示装置中包括的光学装置、以及根据本公开内容第一和第二实施方式的光学装置中包括的光学装置中，中心出射光束与XoutYout平面和/或XoutZout平面以不同于零度的给定角度相交。因此，不同于使显示图像围绕沿着±Zin轴的入射光线扩展的现有技术的光学装置，可使显示图像区域围绕中心出射光束进一步扩展。应注意，本说明书中描述的效果仅是说明性的而非限制性的，并且可具有附加效果。
附图说明
图1A和1B分别是包括实施例1的光学装置的坐标系的概念图和包括实施例1的图像显示装置的坐标系的概念图。
图2是从上方观看的实施例1的显示装置的示意图。
图3是从前方观看的实施例1的显示装置的示意图。
图4是实施例1的图像显示装置的概念图。
图5是实施例1的图像显示装置的变形例的概念图。
图6是实施例1的图像显示装置的另一变形例的概念图。
图7A是从侧面观看的实施例1的显示装置的示意图，图7B是当沿着XinYin平面切断光学装置时实施例1的显示装置的示意截面图，图7C是当沿着XoutYout平面切断光学装置时实施例1的显示装置的示意截面图。
图8A和8B是第一、第二和第三偏转部件的波数向量等的概念图。
图9A和9B是第一、第二和第三偏转部件的另外波数向量等的概念图。
图10A、10B和10C是第一、第二和第三偏转部件以及导光板的示意平面图。
图11是示出在实施例1A的图像显示装置中能被提取为出射光的图像显示区域和视角的模拟结果的图。
图12是示出在比较例1A的图像显示装置中能被提取为出射光的图像显示区域和视角的模拟结果的图。
图13是示出在实施例1B的图像显示装置中能被提取为出射光的图像显示区域和视角的模拟结果的图。
图14是示出在比较例1B的图像显示装置中能被提取为出射光的图像显示区域和视角的模拟结果的图。
图15是从上方观看的实施例1的显示装置的变形例的示意图。
图16A、16B和16C是实施例1的光学装置的另外变形例的概念图。
图17A、17B、17C、17D、17E、17F、17G和17H是实施例1的光学装置的另外变形例的概念图。
具体实施方式
虽然以下将参照附图基于实施例对本公开内容进行描述，但本公开内容不限于所述实施例，并且实施例中的各种数字和材料是说明性的。应注意，将按以下顺序进行描述。
1.根据本公开内容第一和第二实施方式的图像显示装置、光学装置和显示装置的总体描述
2.实施例1(本公开内容的图像显示装置、光学装置和显示装置)
3.其他
<根据本公开内容第一和第二实施方式的图像显示装置、光学装置和显示装置的总体描述>
在根据本公开内容第一实施方式的光学装置、根据本公开内容第一实施方式的图像显示装置中包括的光学装置、或根据本公开内容第一实施方式的显示装置中包括的光学装置中，当在第一和第二坐标系中，
将X>0,Y>0且Z>0的象限定义为第一象限，
将X<0,Y>0且Z>0的象限定义为第二象限，
将X<0,Y<0且Z>0的象限定义为第三象限，
将X>0,Y<0且Z>0的象限定义为第四象限，
将X>0,Y>0且Z<0的象限定义为第五象限，
将X<0,Y>0且Z<0的象限定义为第六象限，
将X<0,Y<0且Z<0的象限定义为第七象限，并且
将X>0,Y<0且Z<0的象限定义为第八象限时，
并且当将图像形成区域的中心点在第一坐标系中所位于的点设为点A，且将在第二坐标系中中心出射光束朝向其前进的点设为点B时，点A和B能满足以下情况之一：(情况A)、(情况B)、(情况C)、(情况D)、(情况E)和(情况F)。此外，在此情况中，优选的是，满足(情况A)、(情况B)、(情况D)、(情况E)和(情况F)中之一以进一步增大显示图像的视角。
(情况A)
在点A位于第一坐标系的第一或第五象限中的情况中，点B位于第二坐标系的第七象限中，
(情况B)
在点A位于第一坐标系的第二或第六象限中的情况中，点B位于第二坐标系的第八象限中，
(情况C)
在点A位于第一坐标系的第三或第七象限中的情况中，点B位于第二坐标系的第五象限中，
(情况D)
在点A位于第一坐标系的第四或第八象限中的情况中，点B位于第二坐标系的第六象限中，
(情况E)
在点A的坐标在第一坐标系中是坐标(xin,0,-zin)的情况中，点B在第二坐标系中的坐标是坐标(xout,0,-zout)，
(情况F)
在点A在第一坐标系中的坐标是坐标(0,yin,-zin)或坐标(0,yin,zin)的情况中，点B在第二坐标系中的坐标是坐标(0,-yout,-zout)，以上描述的xin、yin、zin、xout、yout和zout满足xin≠0，yin≠0，zin>0，xout≠0，yout≠0，zout>0。
应注意的是，第一和第二坐标系在用于右眼的图像显示装置中是右手坐标系，并且第一和第二坐标系在用于左眼的图像显示装置中是左手坐标系。另外，“象限”不包括±Xin轴、±Yin轴、±Zin轴、±Xout轴、±Yout轴或±Zout轴。
在包括以上优选模式的根据本公开内容第一实施方式的光学装置中，在根据本公开内容第一实施方式的图像显示装置中包括的光学装置中，或者在根据本公开内容第一实施方式的显示装置中包括的光学装置中，中心入射光束在第一坐标系中的入射角的绝对值可等于中心出射光束在第二坐标系中的出射角的绝对值。也就是说，当参考第一坐标系将中心入射光束的单位向量的Xin分量设为xV in-unit，Yin分量设为yV in-unit，Zin分量设为zV in-unit，将中心出射光束的单位向量的Xout分量设为xV out-unit，Yout分量设为yV out-unit，Zout分量设为zV out-unit时，优选满足以下关系。
|xV in-unit|＝|xV out-unit|
|yV in-unit|＝|yV out-unit|
|zV in-unit|＝|zV out-unit|
更具体而言，中心入射光束的单位向量(xV in-unit,yV in-unit,zV in-unit)与中心出射光束的单位向量(xV out-unit,yV out-unit,zV out-unit)之间的关系与在根据本公开内容第二实施方式的光学装置中描述的中心入射光束的单位向量Uv(xV in-unit,yV in-unit,zV in-unit)与中心出射光束的单位向量Uv(xV out-unit,yV out-unit,zV out-unit)之间的关系相同。
在包括上述优选模式的根据本公开内容第一实施方式的光学装置、根据本公开内容第一实施方式的图像显示装置中包括的光学装置、根据第一实施方式的显示装置中包括的光学装置中，或者在根据本公开内容第二实施方式的光学装置、根据本公开内容第二实施方式的图像显示装置中包括的光学装置和根据本公开内容第二实施方式的显示装置中包括的光学装置中(以下这些光学装置可被统称为“本公开内容的光学装置等”)，第一、第二或第三偏转部件的至少之一可包括体积全息衍射光栅。所述体积全息衍射光栅可以是透射式或反射式衍射光栅。体积全息衍射光栅是指仅衍射+1级衍射光的全息衍射光栅。
此外，在包括上述优选模式的本公开内容的光学装置等中，第一、第二和第三偏转部件的每一个包括体积全息衍射光栅，并且当通过将第一偏转部件的波数向量投影到导光板上而获得的波数向量被设为kV 1，通过将第二偏转部件的波数向量投影到导光板上而获得的波数向量被设为kV 2，并且通过将第三偏转部件的波数向量投影到导光板上而获得的波数向量被设为kV 3时，波数向量kV 1、kV 2和kV 3的总和可为零。那么，更具体地说，当参考第一和第二坐标系将kV 1在Xin轴方向上的分量设为k1-X，将kV 1在Yin轴方向上的分量设为k1-Y，将kV 2在Xin轴方向上的分量设为k2-X，将kV 2在Yin轴方向上的分量设为k2-Y，将kV 3在Xin轴方向上的分量设为k3-X，将kV 3在Yin轴方向上的分量设为k3-Y时，存在以下关系。
k1-X+k2-X+k3-X＝0
k1-Y+k2-Y+k3-Y＝0
此外，在包括上述优选模式的本公开内容的光学装置等中，第一、第二和第三偏转部件的每一个均由体积全息衍射光栅构成，并且当将第一偏转部件针对从图像形成装置射出的光的衍射效率设为将第二偏转部件针对从图像形成装置射出的光的衍射效率设为将第三偏转部件针对从图像形成装置射出的光的衍射效率设为时，可满足以下关系。
应注意，满足且这里，当将入射于体积全息衍射光栅上的光强度设为I0，并将通过体积全息衍射光栅衍射的+1级衍射光强度设为I1时，衍射效率由I1/I0表示。可例如通过体积全息衍射光栅的厚度控制衍射效率。也就是说，体积全息衍射光栅越厚，衍射效率越小。而且，体积全息衍射光栅中折射率调制深度Δn越大，衍射效率越小。例如，当入射于体积全息衍射光栅上的光(光量＝1.0)以0.2的衍射效率从体积全息衍射光栅射出时，并且当将从体积全息衍射光栅的最接近体积全息衍射光栅的光入射部分的区域射出的光量设为LI1，将从体积全息衍射光栅的第二接近体积全息衍射光栅的光入射部分的区域射出的光量设为LI2，将从体积全息衍射光栅的第三接近体积全息衍射光栅的光入射部分的区域射出的光量设为LI3，以及将从体积全息衍射光栅的第四接近体积全息衍射光栅的光入射部分的区域射出的光量设为LI4时，存在以下关系。
LI1＝1.0×0.2＝0.2
LI2＝(1.0–0.2)×0.2＝0.16
LI3＝(1.0–0.2–0.16)×0.2＝0.128
LI4＝(1.0–0.2–0.16–0.128)×0.2＝0.102
此外，在包括上述优选模式的本公开内容的光学装置等中，经第一偏转部件偏转的全部光都能入射第三偏转部件，经第三偏转部件偏转的全部光都能入射第二偏转部件。尽管这里我们假定经第一或第三偏转部件偏转的全部光入射第三或第二偏转部件，但在一些情况中经第一偏转部件偏转的部分光或经第三偏转部件偏转的部分光可能损失于导光板中。
此外，在包括上述优选模式的本公开内容的光学装置等中，构成导光板的材料的折射率可以是1.5或更大，优选是1.6或更大。
此外，在包括上述优选模式的本公开内容的光学装置等中，第一、第二和第三偏转部件的每一个由体积全息衍射光栅构成，并且构成所述体积全息衍射光栅的材料的折射率可以是1.5或更大，优选是1.6或更大。
在包括上述优选模式的本公开内容的光学装置等中，光学装置是半透明型(透视型)的。具体而言，与观察者的眼球(瞳孔)对应的光学装置的至少一部分可以是半透明型(透视型)的，使得外景通过光学装置的这些部分可见。这里，术语“半透明”并不意指允许入射光的一半(50％)穿过或反射，而是用于意指允许入射光的一部分穿过同时反射剩余的光。
可通过本公开内容的图像显示装置或显示装置显示单色(例如绿色)图像。另一方面，在显示彩色图像的情况中，第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件可包括彼此堆叠的P个衍射光栅层，每一层包括体积全息衍射光栅，以处理具有P个不同波长带(或波长)的P种类型的光衍射(例如，这些类型是红色、绿色和蓝色时，P＝3)。在每个衍射光栅层中形成对应于一个波长带(波长)的干涉条纹。或者，为了处理具有P个不同波长带(或波长)的P种类型的光衍射，可在各包括单个衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件中形成P种不同的干涉条纹。或者，例如，可采用以下结构，在该结构中，各自包括包含用于衍射及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在第一导光板上，各自包括包含用于衍射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在第二导光板上，各自包括包含用于衍射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在第三导光板上，并且第一导光板、第二导光板和第三导光板在其间具有间隙的情况下彼此堆叠。或者，例如，可采用以下结构，在该结构中，各自包括包含用于衍射及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在第一导光板的一侧上，各自包括包含用于衍射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在第一导光板的另一侧上，各自包括包含用于衍射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在第二导光板上，并且第一导光板和第二导光板在其间具有间隙的情况下彼此堆叠。或者，例如，可采用以下结构，在该结构中，各自包括包含用于衍射及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件以及各自包括包含用于衍射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件彼此堆叠在导光板的一侧上，各自包括包含用于衍射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件被设置在导光板的另一侧上。或者，P个不同的体积全息衍射光栅可形成在单个衍射光栅层上。然后，通过采用这些构造，可提高通过第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件衍射具有各波长带(或波长)的光的衍射效率，增大衍射接受角，并最佳化衍射角。优选设置保护构件以便避免体积全息衍射光栅与空气直接接触。
光聚合物材料可作为体积全息衍射光栅中包括的材料的示例。本公开内容的光学装置等的体积全息衍射光栅的构成材料和基本结构仅需与现有技术的体积全息衍射光栅相同。尽管在体积全息衍射光栅的内部到表面包括干涉条纹，但这种衍射光栅本身仅需以与现有技术相同的方式形成。具体而言，例如，仅需在一侧上从第一给定方向将物体光照射到体积全息衍射光栅中包括的材料上，同时，在另一侧上从第二给定方向将参照光照射到体积全息衍射光栅中包括的所述材料上(例如，光聚合物材料)，并且记录通过物体光和参照光在体积全息衍射光栅中包括的所述材料中形成的干涉条纹。可通过适当地选择第一和第二给定方向以及物体光和参照光的波长而在体积全息衍射光栅的表面上获得所需的干涉条纹间距和所需的干涉条纹倾斜角(斜角)。干涉条纹倾斜角指在体积全息衍射光栅的表面与干涉条纹之间形成的角。在体积全息衍射光栅由各自包括一体积全息衍射光栅的P层衍射光栅层的堆叠结构形成的情况中，衍射光栅层的这种堆叠可例如仅通过单独地制造P层衍射光栅层的每一层并利用UV固化粘合剂堆叠(粘结)这P层衍射光栅层来实现。而且，P层衍射光栅层可通过以下方法制造：首先利用粘性光聚合物材料片制造单层衍射光栅层，然后按顺序一次一片地在衍射光栅层顶上粘结这些光聚合物材料片，从而制造P层衍射光栅层。
任何光聚合物材料的材料可用于体积全息衍射光栅中包括的材料(在照射物体光和参照光之前在光敏材料前驱物层中包括的光聚合物材料)，只要该光聚合物材料至少包括光聚合性化合物、粘结剂树脂和光敏引发剂。诸如丙烯基单体、甲基丙烯基单体、苯乙烯基单体、丁二烯基单体、乙烯基单体和环氧基单体的已知光聚合性化合物可用作为光聚合性化合物。它们可以是共聚单体、单官能单体或多官能单体。而且，这些单体可以单独使用或者它们中的两种或更多种可以结合使用。而且，可以使用任一种已知粘结剂树脂，具体地，醋酸纤维素基树脂、丙烯基树脂、丙烯酸酯基树脂、甲基丙烯酸基树脂、环氧基树脂、聚氨酯基树脂、聚丙烯基树脂、聚乙烯醇基树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰胺树脂、聚醋酸乙烯基树脂、氯乙烯基树脂、尿素基树脂、苯乙烯基树脂、丁二烯基树脂、天然橡胶基树脂、聚乙烯咔唑、聚乙二醇、酚基树脂或它们的共聚物、凝胶等等。而且，粘结剂树脂可以单独使用或者它们中的两种或更多种可以结合使用。关于光敏引发剂，也可使用任何种的已知光敏引发剂。光敏引发剂可以单独使用或者它们中的两种或更多种可以结合使用，并且光敏引发剂可与多种或一种感光染料结合使用。可将增塑剂、链转移剂或其他添加剂加入到光敏材料前驱物层。关于用于保护体积全息衍射光栅的保护层中包括的材料，可使用任何材料，只要它们是透明的，并且保护层可通过涂覆形成，或者可预先成为膜形式的材料可被层压到光敏材料前驱物层。聚乙烯醇(PVA)树脂、丙烯基树脂、聚氨酯基树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、三乙酰纤维素(TAC)树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂、聚丙烯基树脂、聚碳酸酯树脂和聚氯乙烯树脂可用作为保护层中包括的材料的示例。
在包括前述优选模式的本公开内容的图像显示装置或显示装置的图像显示装置中，图像形成装置可包括以二维矩阵图案布置的多个像素。应注意，为了简便起见，图像形成装置的这种配置将被称为“第一配置的图像形成装置”。
包括反射式空间光调制器和光源的图像形成装置、包括透射式空间光调制器和光源的图像形成装置、和包括诸如有机EL(电致发光)元件、无机EL元件、发光二极管(LED)或半导体激光元件的发光元件的图像形成装置可用作为第一配置的图像形成装置的示例。在这些图像形成装置中，包括反射式空间光调制器和光源的图像形成装置或包括有机EL元件的图像形成装置是优选的。诸如LCOS(硅上液晶)或其他透射式或反射式液晶显示装置的灯泡和数字微镜器件(DMD)可用作为空间光调制器的示例，发光元件可用作为光源的示例。此外，反射式空间光调制器可包括液晶显示装置和偏振分束器。偏振分束器反射来自光源的部分光并将所述光引导到液晶显示装置，并且同时允许被液晶显示装置反射的部分光穿过并将所述光引导到光学元件。红色、绿色、蓝色和白色发光元件可用作为光源中包括的发光元件的示例。或者，可通过混合从红色、绿色和蓝色发光元件发射的红色、绿色和蓝色光并利用光管均化这些光的照度获得白色光。半导体激光元件、固态激光器和LED可用作为发光元件的示例。仅需要基于图像显示装置的所需规格确定像素数量，320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等可用作为具体像素数量的示例。
或者，在包括前述优选模式的本公开内容的图像显示装置或显示装置的图像显示装置中，图像形成装置可包括光源和扫描部件。扫描部件扫描从光源发射的平行光束。应注意，为简便起见，图像形成装置的这种配置将被称为“第二配置的图像形成装置”。
发光元件可用作为第二配置的图像形成装置的光源的示例，具体地，红色、绿色、蓝色和白色发光元件可用作为所述光源的示例。或者，可通过混合从红色、绿色和蓝色发光元件发射的红色、绿色和蓝色光并利用光管均化这些光的照度获得白色光。半导体激光元件、固态激光器和LED可用作为发光元件的示例。仅需要基于图像显示装置的所需规格确定第二配置的图像形成装置的像素数量，320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等可用作为具体像素数量的示例。另外，在显示彩色图像并且光源包括红色、绿色和蓝色发光元件的情况中，优选使用例如正交棱镜合成颜色。包括二维可旋转的微镜和用于水平地及垂直地扫描从光源发射的光的电流镜的MEMS(Micro Electro MechanicalSystems，微型机电系统)可用作为扫描部件的示例。
在第一或第二配置的图像形成装置中，作为通过光学元件(用于将来自图像形成装置的出射光转变成平行光束的光学元件，其可被称为“平行光束发射光学元件”，且其特定示例是准直光学元件和中继光学元件)转变的多个平行光束的光入射导光板。对平行光束的这种要求是基于即使在平行光束经由第一偏转部件、第三偏转部件和第二偏转部件从导光板射出之后对在这些光束入射到导光板中时储存光波前信息的需要。应注意，为了产生多个平行光束，仅需要将图像形成装置的光发射部分放置在平行光束发射光学元件的焦距定位(位置)处。平行光束发射光学元件具有将像素位置信息转变成光学装置的光学元件的角信息的功能。单独或结合使用以提供正光功率的凸透镜、凹透镜、自由曲面棱镜和全息透镜整体可作为平行光束发射光学元件的示例。具有开孔的遮光部分可设在平行光束发射光学元件与导光板之间以避免非所欲的光从平行光束发射光学元件发射而入射在导光板上。
导光板具有两个平行表面(第一和第二表面)。导光板的厚度方向对应于Zin和Zout轴。假定导光板的光入射表面是导光板的入射表面，导光板的光射出表面是导光板的射出表面，则导光板的入射表面和导光板的射出表面可由第一表面形成，或者导光板的入射表面可由第二表面形成并且导光板的射出表面由第一表面形成。在前者情况中，点A位于第五、第六、第七或第八象限中，在后者情况中，点A位于第一、第二、第三或第四象限中。
诸如石英玻璃和BK7的包括光学玻璃的玻璃以及塑料材料(例如PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯基树脂、无定形聚丙烯基树脂、包含AS树脂的苯乙烯基树脂)可用作为导光板中包括的材料的示例。导光板的形状不限于平板，而是可具有弯曲形状。BK7、聚碳酸酯树脂、无定形聚丙烯基树脂和包含AS树脂的苯乙烯基树脂可作为具有1.5或更大折射率的材料的示例，丙烯基树脂可作为具有1.6或更大折射率的材料的示例。
在本公开内容的图像显示装置或显示装置中，用于遮挡外部光进入光学装置的遮光构件可设在从图像形成装置射出的光进入光学装置的区域中。在从图像形成装置射出的光进入光学装置的区域中设置用于遮挡外部光进入光学装置的遮光构件确保即使入射于光学装置上的外部光的量改变，从图像形成装置射出的外部光也不会在第一位置进入光学装置的所述区域中。这确保避免图像显示装置或显示装置的图像显示质量由于例如非所欲的杂散光而劣化。应注意，从图像形成装置射出的光入射于其上的光学装置的区域优选包括在遮光构件投影到光学装置上的影像中。
遮光构件可在与设置光学装置的图像形成装置的一侧相对的侧上设在距离光学装置一距离处。具体而言，用于遮挡外部光进入光学装置的遮光构件可设在从图像形成装置射出的光进入光学装置的区域中(更具体而言，设有第一偏转部件的导光板的区域)。在如上所述配置的图像显示装置或显示装置中，仅需使用不透明材料(例如塑料、金属和合金材料)制造遮光构件。这种遮光构件可从图像显示装置的外壳一体地延伸或被安装到图像显示装置的外壳或从框架一体地延伸或被安装到框架。
图像显示装置可包括光控制装置。也就是说，光学装置可至少部分地与光控制装置重叠。更具体而言，优选的是，光学装置的至少第二偏转部件与光控制装置重叠。
具体而言，光控制装置可包括第一和第二基板、第一和第二透明电极、和光控制层。第二基板与第一基板相对。第一透明电极设在第一基板的与第二基板相对的相对表面上。第二透明电极设在第二基板的与第一基板相对的相对表面上。光控制层夹在第一和第二透明电极之间。应注意，当起动光控制装置时，例如向第一透明电极施加比第二透明电极高的电压。
光控制层可包括光开闭器，所述光开闭器利用通过无机或有机电致变色材料的氧化还原反应产生的材料的颜色改变。具体而言，光控制层可包括无机或有机电致变色材料，此外，光控制层可从第一透明电极侧具有诸如WO3层、Ta2O5层和IrXSn1-X层的无机电致变色材料层的堆叠结构或诸如WO3层、Ta2O5层和IrOX层的无机电致变色材料层的堆叠结构。MoO3层或V2O5层可用于替代WO3层。另外，ZrO2层或磷酸锆层可用于替代IrOX层。或者，亦可使用普鲁士蓝络合物/镍取代普鲁士蓝络合物等。作为有机电致变色材料，亦可使用例如在日本专利特开第2014-111710号和日本专利特开第2014-159385号中公开的电致变色材料。
或者，光控制层可包括电泳液体，光控制装置可包括利用电沉积方法的光开闭器(电沉积/电场沉积)，所述电沉积方法利用通过金属(例如银粒子)的可逆氧化还原反应发生的电沉积/解离现象。也就是说，光控制装置可包括包含金属离子的电解质。
这里，电泳液体包括一定数量的带电电泳粒子和不同于电泳粒子的色散介质。例如，在第一透明电极被图案化且第二透明电极未被图案化(所谓的固体电极)的情况中，并且在电泳粒子带负电的情况中，当将相对负电压施加到第一透明电极并将相对正电压施加到第二透明电极时，带负电的电泳粒子迁移以便覆盖第二透明电极。结果，光控制装置具有高遮光率。另一方面，当与以上相反，将相对正电压施加到第一透明电极并将相对负电压施加到第二透明电极时，电泳粒子迁移以便覆盖第一透明电极。结果，光控制装置具有低遮光率。可通过以此方式向透明电极适当地施加电压来控制光控制装置的遮光率。所述电压可以是DC或AC。图案化的第一透明电极仅需被成形以使得当因电泳粒子迁移以致覆盖第一透明电极而导致光控制装置具有低遮光率时，可最佳化光控制装置的遮光率。第一透明电极的形状仅需通过进行多种测试来确定。可根据需要在透明电极上形成绝缘层。无色且透明的绝缘树脂可用作为这种绝缘层中包括的材料的示例，具体而言，例如，丙烯基树脂、环氧基树脂、氟基树脂、硅酮基树脂、聚酰亚胺基树脂和聚苯乙烯树脂可作为示例。
作为光控制装置中包括的透明第一和第二基板中包括的材料，具体而言，诸如钠钙玻璃和白片玻璃的透明玻璃基板、塑料基板、塑料片和塑料膜可用作为示例。这里，作为塑料，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、诸如醋酸纤维素的纤维素酯、诸如聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物的氟聚合物、诸如聚甲醛的聚醚、诸如聚缩醛、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯的聚烯烃、和甲基戊烯聚合物、诸如聚酰胺酰亚胺和聚醚酰亚胺的聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚砜、聚苯硫醚、聚偏氟乙烯、四乙酰纤维素、溴化苯氧基苯氧基苯、多芳基化合物、聚砜等可作为示例。塑料片和塑料膜可具有足够的刚性以不易弯曲，或者是柔性的。在第一和第二基板包括透明塑料基板的情况中，可在基板的内表面中形成包括无机或有机材料的阻挡层。
第一和第二基板在外边缘部分上通过密封构件密封及粘结。作为称为密封剂的密封构件，可使用各种类型的树脂，诸如包括环氧基树脂、聚氨酯基树脂、丙烯基树脂、醋酸乙烯酯基树脂、烯硫醇基树脂、硅酮基树脂和改性聚合物树脂的热固化、光固化、湿气固化和厌氧固化树脂。
若光控制装置中包括的基板中的一个基板兼做为光学装置的构成构件(具体而言，被提供为避免体积全息衍射光栅与大气直接接触的保护构件)，则可减小显示装置整体的重量，因此消除显示装置的使用者感觉不舒服的可能性。应注意，另一基板可比所述一个基板薄。
第一电极可被图案化或不被图案化。第二透明电极也可被图案化或不被图案化。作为第一和第二透明电极中包括的材料，具体而言，诸如铟锡复合氧化物(包括ITO、氧化铟锡、Sn掺杂的In2O3、结晶ITO和非晶ITO)的导电大分子、氟掺杂的SnO2(FTO)、IFO(F掺杂的In2O3)、锑掺杂的SnO2(ATO)、SnO2、ZnO(包括Ai掺杂的ZnO和B掺杂的ZnO)、铟锌复合氧化物(IZO、氧化铟锌)、尖晶石型氧化物、具有YbFe2O4结构的氧化物、聚苯胺、多吡咯和聚噻吩可作为示例但不限于此。另外，其中的两种或更多种可结合使用。第一和第二透明电极可基于真空沉积、溅射和其他物理气相沉积方法(PVD方法)、各种化学气相沉积方法(CVD方法)和各种涂覆方法等而形成。可通过包括蚀刻、剥离和利用掩模的各种方法的任意方法实现图案化。
光控制装置可设在前方部分上。然后，在该情况中，前方部分包括边框(rim)，光控制装置可装配在边框中。另外，在包括上述各种优选模式的本公开内容的显示装置中，光学装置和光控制装置可以此顺序布置，或者光控制装置和光学装置可从观察者侧以此顺序布置。
可进一步设有用于测量显示装置的安装环境的照度的照度传感器(环境照度测量传感器)，因而基于照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果控制光控制装置的遮光率。或者，可进一步设有用于测量显示装置的安装环境的照度的照度传感器(环境照度测量传感器)，因而基于照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果控制由图像形成装置形成的图像的照度。可结合使用这些模式。
或者，可进一步设有用于基于已从外部环境穿过光控制装置的光测量照度的第二照度传感器(为简便起见，可称为“透射光照度测量传感器”)，因而基于第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果控制光控制装置的遮光率。或者，可进一步设有用于基于已从外部环境穿过光控制装置的光测量照度的第二照度传感器(透射光照度测量传感器)，因而基于第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果控制由图像形成装置形成的图像的照度。应注意，第二照度传感器(透射光照度测量传感器)被期望地设成比光学装置更靠近观察者侧。可设有至少两个第二照度传感器(透射光照度测量传感器)，以基于已穿过具有高遮光率的部分的光测量照度以及基于已穿过具有低遮光率的部分的光测量照度。可结合使用这些模式。此外，可结合使用这些模式以及用于基于照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果执行控制的模式。
这些照度传感器(环境照度测量传感器和透射光照度测量传感器)各仅需包括已知照度传感器并基于已知控制电路而被控制。
光控制装置的最高光透射率可以是50％或更高，其最低光透射率可以是30％或更低。应注意，99％可作为光控制装置的最高光透射率的上限的示例，1％可作为最低光透射率的下限的示例。这里，保持以下关系。
(光透射率)＝1-(遮光率)
仅需将连接器安装到光控制装置(具体而言，将连接器安装到第一或第二透明电极)并经由该连接器和配线将光控制装置电连接到控制电路以用于控制光控制装置的遮光率(光控制装置/控制电路包括在例如用于控制图像形成装置的控制装置中)。
在一些情况中，可以所需颜色对穿过光控制装置的光着色。然后，在该情况中，光所着的颜色可以改变。或者，光所着的颜色可被固定。应注意，在前者情况中，仅需堆叠例如用于使光着红色的光控制装置、用于使光着绿色的光控制装置和用于使光着蓝色的光控制装置。而且，在后者情况中，棕色可作为光通过光控制装置所着颜色的示例，但该颜色不限于此。
观察者可通过观察穿过光控制装置和光学装置的光的亮度并操控开关、按钮、表盘、滑块、旋钮等来手动控制及调整遮光率。或者，观察者可基于前面描述的用于基于已从外部环境穿过光控制装置的光测量照度的第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果来控制及调整遮光率。应注意，具体而言，仅需通过控制施加到第一和第二透明电极的电压来实现对遮光率的控制及调整。可设有至少两个第二照度传感器(透射光照度测量传感器)，以基于已穿过具有高遮光率的部分的光测量照度以及基于已穿过具有低遮光率的部分的光测量照度。显示装置可包括一个或两个图像显示装置。在显示装置包括两个图像显示装置的情况中，可通过调整施加到第一和第二透明电极的电压来均化光控制装置中之一和另一光控制装置的遮光率。可例如基于前面描述的用于基于已从外部环境穿过光控制装置的光测量照度的第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果来控制光控制装置中之一的遮光率和另一光控制装置的遮光率。或者，观察者可通过观察穿过光控制装置中之一和另一光控制装置的光的亮度并操控开关、按钮、表盘、滑块、旋钮等来手动控制及调整遮光率。在调整遮光率的情况中，可在光学装置上显示测试图案。
在本公开内容的显示装置中，框架包括设在观察者的前方的前方部分和经由铰链可旋转地安装到前方部分的两端的两个边撑(temple)部分。应注意，边撑末端部安装到每个边撑部的边缘。尽管图像显示装置安装到框架，但具体而言，仅需将图像形成装置安装到边撑部。而且，前方部分和两个边撑部可为整体的。也就是说，当将本公开内容的显示装置作为整体看待时，框架与普通眼镜具有实质相同的结构。包括垫部的框架可包括与普通眼镜中包括的材料相同的材料，所述材料的示例是金属、合金、塑料及它们的组合。此外，鼻垫可安装到前方部分。也就是说，当将本公开内容的显示装置作为整体看待时，框架的组件(包括边缘)和鼻垫与普通眼镜具有实质相同的结构。鼻垫也可具有已知配置和结构。
另外，在本公开内容的显示装置中，从设计、佩戴方便等的角度看，期望的是，来自一个或两个图像形成装置的配线(例如，信号线和电源线)经由边撑部和边撑末端部的内部从边撑末端部的边缘在外部延伸并连接到控制装置(控制电路或控制部件)。此外，每个图像形成装置可包括耳机部，使得来自每个图像形成装置的耳机部配线经由边撑部和边撑末端部的内部从边撑末端部的边缘延伸到耳机部。耳内式耳机部和耳道式耳机部可作为耳机部的示例。更具体而言，耳机部配线优选延伸到耳机部以便绕在外耳(耳罩)的后侧。而且，成像装置可安装到前方部分的中心部分。具体而言，成像装置包括例如固态成像元件和透镜。固态成像元件包括CCD或CMOS传感器。来自成像装置的配线仅需经由前方部分连接到图像显示装置(或图像形成装置)之一并进一步包括在从图像显示装置(或图像形成装置)延伸的配线中。
头戴式显示器(HMD)例如可包括本公开内容的显示装置。然后，这使得可以减小显示装置的重量和尺寸并大大减轻佩戴显示装置时的不舒服，并进一步有助于降低制造成本。或者，本公开内容的图像显示装置可应用于设在车辆或飞机的驾驶舱或其他区域中的平视显示器(HUD)。具体而言，HUD可在车辆或飞机的驾驶舱或其他区域的挡风玻璃上具有虚拟图像形成区域。基于从图像形成装置射出的光在虚拟图像形成区域中形成虚拟图像。或者，HUD可具有在车辆或飞机的驾驶舱或其他区域的挡风玻璃上具有虚拟图像形成区域的组合器。基于从图像形成装置射出的光在虚拟图像形成区域中形成虚拟图像。
实施例1
实施例1涉及根据本公开内容第一和第二实施方式的光学装置，根据本公开内容第一和第二实施方式的图像显示装置，和根据第一和第二实施方式的显示装置。图1A和1B分别示出包括实施例1的光学装置的坐标系的概念图和包括实施例1的图像显示装置的坐标系的概念图。而且，图2示出从上方观看的实施例1的显示装置的示意图，图3示出从前方观看的实施例1的显示装置的示意图，图4、5和6示出图像显示装置和图像显示装置的变形例的概念图，图7A示出从侧面观看的实施例1的显示装置的示意图，图7B示出当沿着XinYin平面切断光学装置时实施例1的显示装置的示意截面图，图7C示出当沿着XoutYout平面切断光学装置时实施例1的显示装置的示意截面图；图8A、8B、9A和9B示出第一、第二和第三偏转部件的波数向量等的概念图。
实施例1的光学装置22是从图像形成装置50A、50B和50C射出的光所入射的光学装置，所述光在光学装置22中被引导并且从光学装置22射出。然后，光学装置22包括导光板30、第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43。入射光在导光板30中通过全反射传播后从导光板30射出。第一偏转部件41使入射导光板30的光偏转从而所述光在导光板30中被全反射。第二偏转部件42使已通过全反射在导光板30中传播的光偏转，从而导致所述光从导光板30射出。第三偏转部件43使已通过第一偏转部件41偏转并且已通过全反射在导光板30中传播的光朝向第二偏转部件42偏转。
假定第一和第二坐标系。在第一坐标系中，穿过第一偏转部件41的中心点的导光板30的法线与导光板相交的点被设为第一原点Oin，穿过第一原点Oin并朝向光从导光板30射出的一侧延伸的导光板30的法线被设为-Zin轴，并且与经第一偏转部件41而偏转并经全反射而在导光板30中传播的光的行进方向平行并穿过第一原点Oin的轴被设为+Yin轴。
在第二坐标系中，中心入射光束(从图像形成装置50A、50B和50C的图像形成区域的中心点(点A)射出并穿过第一原点Oin的光束)从导光板30射出的点被设为第二原点Oout，穿过第二原点Oout并朝向光从导光板30射出的一侧延伸的导光板30的法线被设为-Zout轴，并且与+Yin轴平行并穿过第二原点Oout的轴被设为+Yout轴。
此时，中心出射光束(中心入射光束从导光板30射出时的光束)与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。±Xin轴和±Xout轴平行，±Yin轴和±Yout轴平行，±Zin轴和±Zout轴平行。
或者，换句话说，中心入射光束(从图像形成装置50A、50B和50C的图像形成区域的中心点射出的光束)在导光板30上的入射角是非零度的角(非零度角)，并且中心入射光束的单位向量和中心出射光束(中心入射光束从导光板30射出时的光束)的单位向量大小相同。应注意，广义地说，从图像形成装置50A、50B和50C的图像形成区域射出的各个光束的单位向量和这些各个光束从导光板30射出时的单位向量大小相同。将在随后给出这些单位向量的方向的描述。
实施例1的图像显示装置21包括图像形成装置50A、50B和50C和光学装置，从图像形成装置50A、50B和50C射出的光入射所述光学装置、在所述光学装置中被引导并从所述光学装置射出。
所述光学装置包括以上描述的实施例1的光学装置22。
实施例1的显示装置包括框架10和图像显示装置21。框架10被佩戴在观察者的头部上。图像显示装置21安装到框架。
图像显示装置21包括图像形成装置50A、50B和50C和光学装置，从图像形成装置50A、50B和50C射出的光入射所述光学装置、在所述光学装置中被引导并从所述光学装置射出。
所述光学装置包括以上描述的实施例1的光学装置22。
尽管实施例的显示装置具体为包括两个图像显示装置21的双目型的，但其也可以是包括单个图像显示装置21的单目型的。第一和第二坐标系在用于右眼的图像显示装置中是右手坐标系，并且第一和第二坐标系在用于左眼的图像显示装置中是左手坐标系。光学装置22是透射式(半透明型)的。另外，尽管图像形成装置50A、50B和50C显示单色图像，但所显示的图像的类型不限于此。
然后，当如前所述在第一和第二坐标系中限定第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八象限时，当将图像形成区域的中心点在第一坐标系中所位于的点设为点A，且将在第二坐标系中的、中心出射光束朝向其前进的点设为点B时，点A和B满足之前描述的以下情况之一：(情况A)、(情况B)、(情况C)、(情况D)、(情况E)和(情况F)。此外，优选的是，满足(情况A)、(情况B)、(情况D)、(情况E)和(情况F)中之一以进一步增大显示图像的视角。
图1A和1B中所示的示例对应于(情况A)，点A位于第一坐标系的第五象限中，并且点B位于第二坐标系的第七象限中，图像形成装置50A、50B和50C的图像形成区域的中心点位于点A处，观察者的瞳孔20位于点B处。而且，中心入射光束的单位向量在进入导光板30时的起点由图1A中的“点a”表示，中心出射光束的单位向量在从导光板30射出时在第二坐标系中的终点由图1A中的“点b”表示。应注意，中心出射光束的单位向量的终点是第一原点Oin，且中心入射光束的单位向量的起点是第二原点Oout。
此外，中心入射光束的入射角在第一坐标系中的绝对值和中心出射光束的出射角在第二坐标系中的绝对值相等。也就是说，当参考第一坐标系将中心入射光束的单位向量设为(xV in-unit,y V in-unit,zV in-unit)时，并且当参考第二坐标系将中心出射光束的单位向量设为(xV out-unit,yV out-unit,zV out-unit)时，满足以下关系。
|xV in-unit|＝|xV out-unit|
|yV in-unit|＝|yV out-unit|
|zV in-unit|＝|zV out-unit|
或者，
xV in-unit＝xV out-unit
yV in-unit＝yV out-unit
并且
zV in-unit＝-zV out-unit，
或者
zV in-unit＝zV out-unit
本文图示的示例如下。
zV in-unit＝-zV out-unit
应注意，由概念性图示的波数向量kV 1、kV 2和kV 3形成的三角形在图8A和8B所示的示例中是等腰直角三角形，在图9A和9B所示的示例中是不规则三角形。应注意，由波数向量kV 1、kV 2和kV 3形成的三角形不限于这些三角形。
另外，第一偏转部件41、第二偏转部件42或第三偏转部件43的至少之一包括体积全息衍射光栅。或者，如图8A、8B、9A和9B所示，第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43的每一个由体积全息衍射光栅(具体地，反射式体积全息衍射光栅)构成，并且当将通过将第一偏转部件41的波数向量投影到导光板30上获得的波数向量设为kV 1，将通过将第二偏转部件42的波数向量投影到导光板30上获得的波数向量设为kV 2，将通过将第三偏转部件43的波数向量投影到导光板30上获得的波数向量设为kV 3时，波数向量kV 1、kV 2和kV 3的总和是零。更具体而言，当参考第一和第二坐标系将kV 1在Xin轴方向上的分量设为k1-X，将kV 1在Yin轴方向上的分量设为k1-Y，将kV 2在Xin轴方向上的分量设为k2-X，将kV 2在Yin轴方向上的分量设为k2-Y，将kV 3在Xin轴方向上的分量设为k3-X，将kV 3在Yin轴方向上的分量设为k3-Y时，存在以下关系。
k1-X+k2-X+k3-X＝0
k1-Y+k2-Y+k3-Y＝0
另外，当将第一偏转部件41针对从图像形成装置50A、50B和50C射出的光的衍射效率设为将第二偏转部件42针对从图像形成装置50A、50B和50C射出的光的衍射效率设为将第三偏转部件43针对从图像形成装置50A、50B和50C射出的光的衍射效率设为时，满足以下关系。
导光板30具有两个平行表面(第一表面31和与第一表面31相对的第二表面32)。那么，导光板30的第一表面31对应于导光板的光入射其中的入射表面且亦对应于光从其射出的射出表面。第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43设在(具体而言，粘结到)导光板30的第二表面32上。第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43各包括单个衍射光栅层。应注意，在包括光聚合物材料的每个衍射光栅部件中通过现有技术的方法形成对应于一个波长带(或波长)的干涉条纹。在偏转部件(衍射光学元件)中形成的干涉条纹的间距是恒定的，并且干涉条纹是线性的。
第一偏转部件41衍射及反射进入导光板30的光，第三偏转部件43朝向第二偏转部件42衍射及反射通过全反射在导光板30中传播的光。第二偏转部件42朝向观察者的瞳孔20衍射及反射通过全反射在导光板30中传播的光。光通过全反射在导光板30中从第一偏转部件41朝向第三偏转部件43的传播在Yin轴方向上扩大(放大)进入到导光板30的图像。另外，光通过全反射在导光板30中从第三偏转部件43朝向第二偏转部件42的传播进一步在Xout轴方向上扩大已经在Yin轴方向上扩大(放大)的图像。从图像形成装置50A、50B和50C进入到导光板30的图像被垂直地及水平地扩大(放大)并到达观察者的瞳孔20。另外，从图像形成装置50A、50B和50C进入导光板30的第一表面31的平行光束通过全反射在导光板30中传播，被第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43衍射(具体而言，被衍射及反射多次)，并且以未改变的平行光束的形式从导光板30的第一表面31射出。
可采用一种结构，在该结构中，第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43的不与导光板30相对的表面由透明树脂板或透明树脂膜覆盖，以避免对第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43的损坏。而且，可将透明保护膜粘附到导光板30的第一表面31以保护导光板30。
在所示的示例中，第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43的平面形状是矩形。导光板30的平面形状也是矩形。然而，应注意，这些构件的平面形状不限于矩形。如图10A、10B和10C中的第一偏转部件41、第二偏转部件42、第三偏转部件43和导光板30的示意平面图中所示的，第一偏转部件41的平面形状可为圆形，第三偏转部件43的平面形状可为梯形。导光板30的平面形状可具有缺角。这里，通过第一偏转部件41偏转的所有光(除了在导光板30中损失的光)入射到第三偏转部件43中，并且通过第三偏转部件43偏转的所有光(除了在导光板30中损失的光)入射到第二偏转部件42中。
从图像形成装置50A、50B和50C射出的(单色)光的波长λ0被设定为530nm。而且，导光板30中包括的材料被设定为1.0mm厚度(1.51的折射率)的玻璃，并且第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43中包括的光聚合物材料的平均折射率被设定为1.51。应注意，尽管导光板30的厚度不实质有助于增大显示图像的视角，但仍可通过减小导光板30的厚度减小第一偏转部件41的尺寸。结果，可减小图像形成装置50A、50B和50C中包括的平行光束发射光学元件的尺寸，并且可通过增加导光板30的厚度减小光在导光板30中被全反射的次数，从而可在最小的反射表面散射下投影高品质的图像。因此，需要选择具有最佳厚度的导光板30。
这里，由波数向量kV 1、kV 2和kV 3形成的三角形在图8A和8B所示的示例中是等腰直角三角形，并且第一偏转部件41和第二偏转部件42的光栅周期d1和d2的值是422nm，第三偏转部件43的光栅周期d3的值是422nm/21/2＝298nm。
图12示出比较例1A的在点A位于-Zin轴上的情况中(即在点A位于第一坐标系中的坐标(0,0,0)处的情况中)能提取为出射光的视角(由黑点绘示)和图像显示区域(由矩形区域绘示)的模拟结果。而且，图11示出实施例1A的在(情况E)的情况中(即在点A位于第一坐标系中的坐标(xin,0,-zin)(其中xin>0,zin>0)处的情况中)能提取为出射光的视角(由黑点绘示)和图像显示区域(由矩形区域绘示)的模拟结果。应注意以下关系。
tan-1＝(|xV in-out|/|yV in-out|)＝180度
cos-1＝|zV in-out|＝177度
从图11(实施例1A)和图12(比较例1A)清楚的是，实施例1A允许视角比比较例1A增大更多。另外，可通过以围绕作为图像中心的第二原点Oout水平及垂直对称的方式选择图像显示区域来投射具有宽视角的图像。
实施例1B和比较例1B的模拟是在以下情况下进行的：导光板30中包括的材料的折射率设定为1.60，第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43中包括的光聚合物材料的平均折射率设定为1.60。图14示出比较例1B的在点A位于-Zin轴上的情况中(即在点A位于第一坐标系中的坐标(0,0,0)处的情况中)能提取为出射光的视角(由黑点绘示)和图像显示区域(由矩形区域绘示)的模拟结果。而且，图13示出实施例1B的在(情况B)的情况中(即在点A位于第一坐标系的第六象限中的情况中)能提取为出射光的视角(由黑点绘示)和图像显示区域(由矩形区域绘示)的模拟结果。应注意以下关系。
tan-1＝(|xV in-out|/|yV in-out|)＝135度
cos-1＝|zV in-out|＝177度
从图12(比较例1A)和图14(比较例1B)清楚的是，绘示含有具有高折射率的材料的配置的比较例1B允许视角比比较例1A增大更多，从图13(实施例1B)和图14(比较例1B)亦清楚的是，实施例1B允许视角比比较例1B增大更多。另外，可通过以围绕作为图像中心的第二原点Oout水平及垂直对称的方式选择图像显示区域来投射具有宽视角的图像。
已从以上结果及进一步从各种模拟结果看出，可取的是，导光板30中包括的材料的折射率为1.5或更大，优选为1.6或更大，并且可取的是，第一偏转部件41、第二偏转部件42和第三偏转部件43的体积全息衍射光栅中包括的材料的折射率为1.5或更大，优选为1.6或更大。
如图4中所示，图像形成装置50A是具有以二维矩阵图案布置的多个像素的第一配置的图像形成装置。具体而言，图像形成装置50A包括反射式空间光调制器和光源51。光源51包括发射白色光的发光二极管。每个图像形成装置50A作为整体被容纳在外壳60(在图4中由点划线绘示)中，外壳60具有开口部分(未绘示)。光从光学元件(平行光束发射光学元件或准直光学元件)59经由开口部分射出。外壳60利用安装构件19可拆卸地安装至边撑部13。反射式空间光调制器包括液晶显示装置(LCD)53，液晶显示装置(LCD)53包括作为灯泡的LCOS。此外，图像形成装置50A包括偏振分束器52，偏振分束器52反射来自光源51的部分光并将所述光引导到液晶显示装置53，并同时允许被液晶显示装置53反射的部分光穿过并将所述光引导到光学元件59。液晶显示装置53包括以二维矩阵图案布置的多个(例如640×480)像素(液晶单元)。偏振分束器52具有已知配置和结构。从光源51射出的非偏振光射到偏振分束器52上。p偏振分量穿过偏振分束器52并从其射出。另一方面，s偏振分量被偏振分束器52反射并入射到液晶显示装置53中。s偏振分量在液晶显示装置53中反射并从其射出。这里，在从液晶显示装置53射出的光中，从显示“白色”的像素射出的光包括高比例的p偏振分量，从显示“黑色”的像素射出的光包括高比例的s偏振分量。因此，在从液晶显示装置53射出并射在偏振分束器52上的光中，p偏振分量穿过偏振分束器52并被引导到光学元件59。另一方面，s偏振分量被偏振分束器52反射并返回到光源51。光学元件59包括例如凸透镜，图像形成装置50A(更具体而言，液晶显示装置53)被设在光学元件59的焦距定位(位置)处。
或者，如图5所示，图像形成装置50B包括有机EL显示装置54。从有机EL显示装置54射出的图像穿过凸透镜59，被转变成平行光束，并朝向导光板30前进。有机EL显示装置54包括布置在二维矩阵图案中的多个(例如640×480)像素(有机EL元件)。
或者，如图6所示，图像形成装置50C(第二配置的图像形成装置)包括光源55、准直光学元件56、扫描部件58和中继光学元件59。准直光学元件56将从光源55射出的光转变成平行光束。扫描部件58扫描从准直光学元件56射出的光束。中继光学元件59中继由扫描部件扫描的平行光束并射出平行光束。应注意，图像形成装置50C作为整体被容纳在外壳60(在图6中由点划线绘示)中，外壳60具有开口部分(未绘示)。光从光学元件59经由开口部分射出。然后，外壳60利用安装构件19可拆卸地安装至边撑部13。光源55包括产生白色光的发光元件。然后，从光源55发射的光入射准直光学元件56并被射出为平行光束，准直光学元件56作为整体具有正光功率。然后，这些平行光束被全反射镜57反射，被扫描部件58(扫描部件58包括具有二维可旋转微镜的MEMS以二维地扫描入射光)水平及垂直地扫描，并被转变成一种二维图像，因而产生虚拟像素(虚拟像素的数量可例如与实施例1相同)。然后，来自虚拟像素的光穿过包括已知中继光学元件的中继光学元件(平行光束发射光学元件)59，并且平行光束形式的照度通量入射光学装置22。
框架10包括设在观察者前方的前方部分11(包括边框11')、两个边撑部13、和边撑末端部(亦称为耳垫)14。边撑部13经由铰链12可旋转地安装到前方部分11的两端。边撑末端部14各自安装到边撑部13中的一个的边缘。另外，安装鼻垫(未绘示)。也就是说，框架10和鼻垫的组件基本上具有与普通眼镜实质相同的结构。此外，如之前描述的，每个外壳60通过安装构件19可拆卸地安装到边撑部13。框架10包括金属或塑料。应注意，每个外壳60可通过安装构件19以不可拆卸的方式安装到边撑部13。另外，尽管外壳60被绘示为安装到边撑部13的内侧，但每个外壳60可安装到边撑部13的外侧。
此外，从图像形成装置50A、50B和50C之一延伸的配线(例如信号线、电源线)15经由边撑部13和边撑末端部14的内部从边撑末端部14延伸到外部并连接到控制装置(控制电路或控制部件)18。此外，图像形成装置50A、50B和50C的每一个包括耳机部16。从图像形成装置50A、50B和50C的每一个延伸的耳机部配线17经由边撑部13和边撑末端部14的内部从边撑末端部14的边缘延伸到耳机部16。更具体而言，耳机部配线17延伸到耳机部16，以便从边撑末端部14的边缘绕在外耳(耳罩)的后侧。这种配置避免使人具有耳机部16和耳机部配线17以无序方式布置的印象，从而提供整洁的显示装置。
在实施例1的光学装置中，中心出射光束与XoutYout平面和/或XoutZout平面以给定角相交。这使得可以绕第二坐标系的-Zout轴垂直及水平地进一步扩大从导光板射出的显示图像，从而允许进一步增大显示图像的视角。
虽然以上已基于优选实施例描述了本公开内容，但本公开内容不限于实施例。在实施例中描述的显示装置(头戴式显示器)、图像显示装置和光学装置的配置和结构是说明性的且可被适当改变。在光学装置中，第一偏转部件、第二偏转部件和第三偏转部件可各自由透射式体积全息衍射光栅构成。或者，可以混合方式(结合)使用反射式和透射式体积全息衍射光栅。或者，可将反射式闪耀衍射光栅元件用作为偏转部件。本公开内容的显示装置可用作为立体显示装置。在此情况中，仅需根据需要将偏振板或偏振膜可拆卸地贴附到光学装置或将偏振板或偏振膜粘附到光学装置。
为了确保中心出射光束与XoutYout平面和/或XoutZout平面以给定角相交，仅需将图像形成装置和光学装置以以下方式布置：图像形成装置的图像形成区域的中心点位于±Zin轴上。或者，例如，为了沿Yin轴的方向移动图像，控制装置可产生两个信号，一个用作为用于基于图像信号通过沿着Yin轴增加或减去i个像素而改变图像位置的显示位置校正信号，另一个用作为用于基于图像信号通过沿着Xin轴增加或减去j个像素而改变图像位置的显示位置校正信号。在这些情况中，通过增加或减去i或j个像素而使图像形成装置的图像形成区域的中心点与图像形成区域的物理中心点未对准。
另外，实施例1中描述的图像显示装置可如下所述被修改。也就是说，如图15中从上方观看的示意图中所示，遮光构件70可设在与从图像形成装置50A、50B和50C射出的光入射光学装置22的区域(更具体而言，导光板30的设置第一偏转部件41的区域)相对的区域中。具体而言，例如，仅需将遮光构件70设在与设有光学装置22的图像形成装置50A、50B和50C的一侧相对的一侧上，并将遮光构件70布置在距离光学装置22一距离处。
虽然在实施例给出的描述中图像形成装置50A、50B和50C显示单色(例如绿色)图像，但图像形成装置50A、50B和50C亦可显示彩色图像。在此情况中，光源仅需包括例如发射红色、绿色和蓝色的光源。具体而言，仅需通过混合从红色、绿色和蓝色发光元件发射的红色、绿色和蓝色光并利用光管均化这些光的照度获得白色光。然后，如图16A的光学装置的概念图所示，可采用以下结构，在该结构中，各自包括包含用于衍射及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41R、第三偏转部件43R和第二偏转部件42R被设置在第一导光板上，各自包括包含用于衍射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41G、第三偏转部件43G和第二偏转部件42G被设置在第二导光板上，各自包括包含用于衍射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41B、第三偏转部件43B和第二偏转部件42B被设置在第三导光板上，并且第一导光板、第二导光板和第三导光板在其间具有间隙的情况下彼此堆叠。或者，如图16B的光学装置的概念图所示，可采用以下结构，在该结构中，各自包括包含用于衍射及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41R、第三偏转部件43R和第二偏转部件42R被设置在第一导光板的一侧上，各自包括包含用于衍射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41G、第三偏转部件43G和第二偏转部件42G被设置在第一导光板的另一侧上，各自包括包含用于衍射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41B、第三偏转部件43B和第二偏转部件42B被设置在第二导光板上，并且第一导光板和第二导光板在其间具有间隙的情况下彼此堆叠。或者，如图16C的光学装置的概念图所示，可采用以下结构，在该结构中，各自包括包含用于衍射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41G、第三偏转部件43G和第二偏转部件42G被设置在第一导光板的一侧上，并且在这些偏转部件的顶部上进一步堆叠各自包括包含用于衍射及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41R、第三偏转部件43R和第二偏转部件42R，并且各自包括包含用于衍射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一偏转部件41B、第三偏转部件43B和第二偏转部件42B被设置在第一导光板的另一侧上。
或者，可如以下参照绘示实施例1中描述的光学装置的变形例的概念图的图17A、17B、17C、17D、17E、17F、17G和17H描述的那样修改光学装置。也就是说，如图17A所示，包括透射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41a可设在导光板的第一表面上，各自包括反射式体积全息衍射光栅的第二偏转部件42b和第三偏转部件43b可设在导光板的第二表面上。或者，如图17B所示，各自包括透射式体积全息衍射光栅的第二偏转部件42a和第三偏转部件43a可设在导光板的第一表面上，并且包括反射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41b可设在导光板的第二表面上。或者，如图17C所示，各自包括透射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41a、第二偏转部件42a和第三偏转部件43a可设在导光板的第一表面上。或者，如图17D所示，包括透射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41a可设在导光板的第一表面上，并且各自包括反射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41b、第二偏转部件42b和第三偏转部件43b可设在导光板的第二表面上。或者，如图17E所示，各自包括透射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41a、第二偏转部件42a和第三偏转部件43a可设在导光板的第一表面上，并且包括反射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41b可设在导光板的第二表面上。或者，如图17F所示，各自包括透射式体积全息衍射光栅的第二偏转部件42a和第三偏转部件43a可设在导光板的第一表面上，并且各自包括反射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41b、第二偏转部件42b和第三偏转部件43b可设在导光板的第二表面上。或者，如图17G所示，各自包括透射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41a、第二偏转部件42a和第三偏转部件43a可设在导光板的第一表面上，并且各自包括反射式体积全息衍射光栅的第二偏转部件42b和第三偏转部件43b可设在导光板的第二表面上。或者，如图17H所示，各自包括透射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41a、第二偏转部件42a和第三偏转部件43a可设在导光板的第一表面上，并且各自包括反射式体积全息衍射光栅的第一偏转部件41b、第二偏转部件42b和第三偏转部件43b可设在导光板的第二表面上。
应注意，本公开内容可具有以下配置。
[A01]<<光学装置：第一实施方式>>
一种光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，所述光学装置包括：
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后被射出；
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射；
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出；和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
假定第一坐标系，在所述第一坐标系中，将穿过所述第一偏转部件的中心点的所述导光板的法线与所述导光板相交的点设为第一原点Oin，将穿过所述第一原点Oin并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zin轴，并且将与经所述第一偏转部件偏转并经全反射而在所述导光板中传播的光的行进方向平行并穿过所述第一原点Oin的轴设为+Yin轴，
假定第二坐标系，在所述第二坐标系中，将中心入射光束(从图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并穿过所述第一原点Oin的光束)从所述导光板射出的点设为第二原点Oout，将穿过所述第二原点Oout并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zout轴，并且将与+Yin轴平行并穿过所述第二原点Oout的轴设为+Yout轴，
则所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。
[A02]
如特征[A01]的光学装置，其中
当在所述第一坐标系和所述第二坐标系中，
将X>0,Y>0且Z>0的象限定义为第一象限，
将X<0,Y>0且Z>0的象限定义为第二象限，
将X<0,Y<0且Z>0的象限定义为第三象限，
将X>0,Y<0且Z>0的象限定义为第四象限，
将X>0,Y>0且Z<0的象限定义为第五象限，
将X<0,Y>0且Z<0的象限定义为第六象限，
将X<0,Y<0且Z<0的象限定义为第七象限，并且
将X>0,Y<0且Z<0的象限定义为第八象限时，并且
当将所述图像形成区域的中心点在所述第一坐标系中所位于的点设为点A，且将在所述第二坐标系中的、所述中心出射光束朝向其前进的点设为点B时，
点A和B满足以下情况的任何一个：(情况A)、(情况B)、(情况C)、(情况D)、(情况E)或(情况F)：
(情况A)在点A位于所述第一坐标系的所述第一象限或所述第五象限中的情况中，点B位于所述第二坐标系的所述第七象限中，
(情况B)在点A位于所述第一坐标系的所述第二象限或所述第六象限中的情况中，点B位于所述第二坐标系的所述第八象限中，
(情况C)在点A位于所述第一坐标系的所述第三象限或所述第七象限中的情况中，点B位于所述第二坐标系的所述第五象限中，
(情况D)在点A位于所述第一坐标系的所述第四象限或所述第八象限中的情况中，点B位于所述第二坐标系的所述第六象限中，
(情况E)在点A在所述第一坐标系中的坐标是坐标(xin,0,-zin)或坐标(xin,0,zin)的情况中，点B在所述第二坐标系中的坐标是坐标(-xout,0,-zout)，以及
(情况F)在点A的坐标在所述第一坐标系中是坐标(0,yin,-zin)或坐标(0,yin,zin)的情况中，点B的坐标在所述第二坐标系中是坐标(0,-yout,-zout)，
以上描述的xin、yin、zin、xout、yout和zout满足xin≠0，yin≠0，zin>
0，xout≠0，yout≠0，zout>0。
[A03]
如特征[A02]的光学装置，其中
(情况A)、(情况B)、(情况D)、(情况E)或(情况F)中的任何之一被满足。
[A04]
如特征[A01]至[A03]中任何之一的光学装置，其中
所述中心入射光束在所述第一坐标系中的入射角的绝对值和所述中心出射光束在所述第二坐标系中的出射角的绝对值相等。
[A05]<<光学装置：第二实施方式>>
一种光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，所述光学装置包括：
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后从所述导光板射出；
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射；
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出；和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
从所述图像形成装置的图像形成区域的中心点射出的光束即中心入射光束在所述导光板上的入射角是非零度角，并且
所述中心入射光束的单位向量和所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束的单位向量大小相等。
[A06]
如特征[A01]至[A05]中任何之一的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件或所述第三偏转部件中至少之一由体积全息衍射光栅构成。
[A07]
如特征[A01]至[A06]中任何之一的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件或所述第三偏转部件中的每一个均由体积全息衍射光栅构成，并且
当将所述第一偏转部件的波数向量投影到所述导光板上而获得的波数向量设为kV 1，将所述第二偏转部件的波数向量投影到所述导光板上而获得的波数向量设为kV 2，并且将所述第三偏转部件的波数向量投影到所述导光板上而获得的波数向量设为kV 3时，波数向量kV 1、kV 2和kV 3的总和是零。
[A08]
如特征[A01]至[A07]中任何之一的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件和所述第三偏转部件的每一个均由体积全息衍射光栅构成，并且
当将所述第一偏转部件针对从所述图像形成装置射出的光的衍射效率设为将所述第二偏转部件针对从所述图像形成装置射出的光的衍射效率设为将所述第三偏转部件针对从所述图像形成装置射出的光的衍射效率设为时，满足以下关系：
[A09]
如特征[A01]至[A08]中任何之一的光学装置，其中
经所述第一偏转部件偏转的全部光入射所述第三偏转部件，并且
经所述第三偏转部件偏转的全部光入射所述第二偏转部件。
[A10]
如特征[A01]至[A09]中任何之一的光学装置，其中
构成所述导光板的材料的折射率是1.5或更大，并且优选是1.6或更大。
[A11]
如特征[A01]至[A10]中任何之一的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件和所述第三偏转部件中的每一个均由体积全息衍射光栅构成，并且
构成所述体积全息衍射光栅的材料的折射率是1.5或更大，并且优选是1.6或更大。
[B01]<<图像显示装置：第一实施方式>>
一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；和
光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，
所述光学装置包括
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后从所述导光板射出，
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射，
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出，和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
假定第一坐标系，在所述第一坐标系中，将穿过所述第一偏转部件的中心点的所述导光板的法线与所述导光板相交的点设为第一原点Oin，将穿过所述第一原点Oin并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zin轴，并且将与经所述第一偏转部件偏转并经全反射而在所述导光板中传播的光的行进方向平行并穿过所述第一原点Oin的轴设为+Yin轴，并且
假定第二坐标系，在所述第二坐标系中，将从所述图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并穿过所述第一原点Oin的光束即中心入射光束从所述导光板射出的点设为第二原点Oout，将穿过所述第二原点Oout并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zout轴，并且将与+Yin轴平行并穿过所述第二原点Oout的轴设为+Yout轴，
则，所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。
[B02]<<图像显示装置：第二实施方式>>
一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；和
光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，其中
所述光学装置由特征[A01]至[A11]中任何之一的光学装置构成。
[C01]<<显示装置：第一实施方式>>
一种显示装置，包括：
框架，所述框架配戴于观察者的头部上；和
安装到所述框架的图像显示装置，
所述图像显示装置包括
图像形成装置，和
光学装置，从所述图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，
所述光学装置包括：
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后从所述导光板射出，
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射，
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出，和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
假定第一坐标系时，在所述第一坐标系中，将穿过所述第一偏转部件的中心点的所述导光板的法线与所述导光板相交的点设为第一原点Oin，将穿过所述第一原点Oin并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zin轴，并且将与经所述第一偏转部件偏转并经全反射而在所述导光板中传播的光的行进方向平行并穿过所述第一原点Oin的轴设为+Yin轴，并且
假定第二坐标系，在所述第二坐标系中，将从所述图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并穿过所述第一原点Oin的光束即中心入射光束从所述导光板射出的点设为第二原点Oout，将穿过所述第二原点Oout并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zout轴，并且将与+Yin轴平行并穿过所述第二原点Oout的轴设为+Yout轴，
则，所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。
[C02]<<显示装置>>
一种显示装置，包括：
框架，所述框架配戴于观察者的头部上；和
安装到所述框架的图像显示装置，
所述图像显示装置包括
图像形成装置，和
光学装置，从所述图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，其中
所述光学装置由特征[A01]至[A11]中任何之一的光学装置构成。
[C03]
如特征[C01]或[C02]的显示装置，其中
所述框架包括：
设在所述观察者的前方的前方部分；
经由铰链可旋转地安装到所述前方部分的两端的两个边撑部；和
鼻垫，其中
所述光学装置设在所述前方部分上。
[C04]
如特征[C03]的显示装置，其中
所述前方部分包括边框，并且
所述导光板装配在所述边框中。
参考符号列表
10…框架，11…框架部，11’…边框，12…铰链，13…边撑部，14…边撑末端部，15…配线(例如信号线和电源线)，16…耳机部，17…耳机部配线，18…控制装置(控制电路、控制部件)，19…安装构件，20…观察者的瞳孔，21…图像显示装置，22…光学装置，30…导光板，31…导光板的第一表面，32…导光板的第二表面，41、41a、41b…第一偏转部件，42、42a、42b…第二偏转部件，43、43a、43b…第三偏转部件，50A、50B、50C…图像形成装置，51…光源，52…偏振分束器(PBS)，53…液晶显示装置(LCD)，54…有机EL显示装置，55…光源，56…准直光学元件，57…全反射镜，58…扫描部件，59…光学元件(准直光学元件)，60…外壳，70…遮光构件

Claims (15)

1.一种光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，所述光学装置包括：
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后被射出；
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射；
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出；和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
假定第一坐标系，在所述第一坐标系中，将穿过所述第一偏转部件的中心点的所述导光板的法线与所述导光板相交的点设为第一原点Oin，将穿过所述第一原点Oin并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zin轴，并且将与经所述第一偏转部件偏转并经全反射而在所述导光板中传播的光的行进方向平行并穿过所述第一原点Oin的轴设为+Yin轴，并且
假定第二坐标系，在所述第二坐标系中，将从图像形成装置的图像形成区域中心点射出并穿过第一原点Oin的光即中心入射光束从所述导光板射出的点设为第二原点Oout，将穿过所述第二原点Oout并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zout轴，并且将与所述+Yin轴平行并穿过所述第二原点Oout的轴设为+Yout轴，
则，所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中
当在所述第一坐标系和所述第二坐标系中，
将X>0,Y>0且Z>0的象限定义为第一象限，
将X<0,Y>0且Z>0的象限定义为第二象限，
将X<0,Y<0且Z>0的象限定义为第三象限，
将X>0,Y<0且Z>0的象限定义为第四象限，
将X>0,Y>0且Z<0的象限定义为第五象限，
将X<0,Y>0且Z<0的象限定义为第六象限，
将X<0,Y<0且Z<0的象限定义为第七象限，并且
将X>0,Y<0且Z<0的象限定义为第八象限时，并且
当将所述图像形成区域的所述中心点在所述第一坐标系中所位于的点设为点A，且将在所述第二坐标系中的、所述中心出射光束朝向其前进的点设为点B时，
所述点A和所述点B满足以下(情况A)、(情况B)、(情况C)、(情况D)、(情况E)和(情况F)中的任何一种情况：
(情况A)所述点A位于所述第一坐标系的第一象限或第五象限中时，所述点B位于所述第二坐标系的第七象限中，
(情况B)所述点A位于所述第一坐标系的第二象限或第六象限中时，所述点B位于所述第二坐标系的第八象限中，
(情况C)所述点A位于所述第一坐标系的第三象限或第七象限中时，所述点B位于所述第二坐标系的第五象限中，
(情况D)所述点A位于所述第一坐标系的第四象限或第八象限中是，所述点B位于所述第二坐标系的第六象限中，
(情况E)所述点A在所述第一坐标系中的坐标是坐标(xin,0,-zin)或坐标(xin,0,zin)时，所述点B在所述第二坐标系中的坐标是坐标(-xout,0,-zout)，以及
(情况F)所述点A在所述第一坐标系中的坐标是坐标(0,yin,-zin)或坐标(0,yin,zin)时，所述点B在所述第二坐标系中的坐标是坐标(0,-yout,-zout)，
以上所述的xin、yin、zin、xout、yout和zout满足xin≠0，yin≠0，zin>0，xout≠0，yout≠0，zout>0。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其中
满足(情况A)、(情况B)、(情况D)、(情况E)和(情况F)中的任何一种情况。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中
所述中心入射光束在所述第一坐标系中的入射角的绝对值和所述中心出射光束在所述第二坐标系中的出射角的绝对值相等。
5.一种光学装置，从图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，所述光学装置包括：
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后从所述导光板射出；
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射；
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的所述光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出；和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
从所述图像形成装置的图像形成区域的中心点射出的光束即中心入射光束在所述导光板上的入射角是非零度角，并且
所述中心入射光束的单位向量和所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束的单位向量大小相等。
6.根据权利要求1或5所述的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件和所述第三偏转部件中的至少一个偏转部件由体积全息衍射光栅构成。
7.根据权利要求1或5所述的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件和所述第三偏转部件中的每一个均由体积全息衍射光栅构成，并且
当将所述第一偏转部件的波数向量投影到所述导光板上而获得的波数向量设为kV 1，将所述第二偏转部件的波数向量投影到所述导光板上而获得的波数向量设为kV 2，并且将所述第三偏转部件的波数向量投影到所述导光板上而获得的波数向量设为kV 3时，波数向量kV 1、kV 2和kV 3的总和是零。
8.根据权利要求1或5所述的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件和所述第三偏转部件的每一个均由体积全息衍射光栅构成，并且
当将所述第一偏转部件针对从所述图像形成装置射出的光的衍射效率设为η1，将所述第二偏转部件针对从所述图像形成装置射出的光的衍射效率设为η2，将所述第三偏转部件针对从所述图像形成装置射出的光的衍射效率设为η3时，满足以下关系：
η2/η1<1
η3/η1<1。
9.根据权利要求1或5所述的光学装置，其中
经所述第一偏转部件偏转的全部光入射所述第三偏转部件，并且
经所述第三偏转部件偏转的全部光入射所述第二偏转部件。
10.根据权利要求1或5所述的光学装置，其中
构成所述导光板的材料的折射率是1.5或更大。
11.根据权利要求1或5所述的光学装置，其中
所述第一偏转部件、所述第二偏转部件和所述第三偏转部件中的每一个由体积全息衍射光栅构成，并且
构成所述体积全息衍射光栅的材料的折射率是1.5或更大。
12.一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；和
光学装置，从所述图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，
所述光学装置包括
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后从所述导光板射出，
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射，
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出，和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
假定第一坐标系，在所述第一坐标系中，将穿过所述第一偏转部件的中心点的所述导光板的法线与所述导光板相交的点设为第一原点Oin，将穿过所述第一原点Oin并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zin轴，并且将与经所述第一偏转部件偏转并经全反射而在所述导光板中传播的光的行进方向平行并穿过所述第一原点Oin的轴设为+Yin轴，并且
假定第二坐标系，在所述第二坐标系中，将从所述图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并穿过所述第一原点Oin的光束即中心入射光束从所述导光板射出的点设为第二原点Oout，将穿过所述第二原点Oout并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zout轴，并且将与所述+Yin轴平行并穿过所述第二原点Oout的轴设为+Yout轴，
则，所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交并且与XoutZout平面以非零度角相交。
13.一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；和
光学装置，从所述图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，其中
所述光学装置由根据权利要求1至11的任一项所述的光学装置构成。
14.一种显示装置，包括：
配戴于观察者的头部上的框架；和
安装到所述框架的图像显示装置，
所述图像显示装置包括
图像形成装置，和
光学装置，从所述图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，
所述光学装置包括：
导光板，入射光经全反射而在所述导光板中传播后从所述导光板射出，
第一偏转部件，所述第一偏转部件使入射所述导光板的光偏转，从而所述光在所述导光板中被全反射，
第二偏转部件，所述第二偏转部件使经全反射而在所述导光板中传播的光偏转，从而使得所述光从所述导光板射出，和
第三偏转部件，所述第三偏转部件使经所述第一偏转部件偏转并且经全反射而在所述导光板中传播的所述光朝向所述第二偏转部件偏转，其中
假定第一坐标系，在所述第一坐标系中，将穿过所述第一偏转部件的中心点的所述导光板的法线与所述导光板相交的点设为第一原点Oin，将穿过所述第一原点Oin并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zin轴，并且将与经所述第一偏转部件偏转并经全反射而在所述导光板中传播的光的行进方向平行并穿过所述第一原点Oin的轴设为+Yin轴，并且
假定第二坐标系，在所述第二坐标系中，将从所述图像形成装置的图像形成区域的中心点射出并穿过所述第一原点Oin的光束即中心入射光束从所述导光板射出的点设为第二原点Oout，将穿过所述第二原点Oout并朝向光从所述导光板射出的一侧延伸的所述导光板的法线设为-Zout轴，并且将与所述+Yin轴平行并穿过所述第二原点Oout的轴设为+Yout轴，
则，所述中心入射光束从所述导光板射出时的光束即中心出射光束与XoutYout平面以非零度角相交，或者与XoutZout平面以非零度角相交，或者与XoutYout平面以非零度角相交，并且与XoutZout平面以非零度角相交。
15.一种显示装置，包括：
配戴于观察者的头部上的框架；和
安装到所述框架的图像显示装置，
所述图像显示装置包括
图像形成装置，和
光学装置，从所述图像形成装置射出的光入射到所述光学装置中、在所述光学装置中被引导、并且从所述光学装置射出，其中
所述光学装置由根据权利要求1至11的任一项所述的光学装置构成。
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