CN110612470A - 光学装置、图像显示装置和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种可以提供高图像质量的图像的光学装置、图像显示装置以及显示装置。根据本发明的光学装置，包括：第一导光元件(40)，具有第一表面，第二表面，与第一表面相对的第三表面，与第二表面相对的第四表面，第五表面，和与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置(41)；及第二导光元件(50)，具有第七表面，第八表面，与第七表面相对的第九表面，与第八表面相对的第十表面，第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置(51)；第一表面和第三表面(40A，40C)彼此平行；与第一表面和第三表面(40A，40C)正交的第二表面和第四表面(40B，40D)彼此平行；第七表面和第九表面(50A，50C)与XY平面平行；从第五表面(40E)进入的光在第一导光元件(40)内被全反射，被第一偏转装置(41)偏转，从第三表面(40C)射出，进入第八表面(50B)，在第七表面(50A)和第九表面(50C)之间被全反射，被第二偏转装置(51)偏转，并从第七表面(50A)射出；第一偏转装置(41)包括多个第一半透明层(42)，所述多个第一半透明层设置为彼此分离并平行；令α和β为当第一半透明层(42)的法线投影到XZ平面和XY平面上时第一半透明层(42)的法线与X轴之间形成的角度，α和β的值是超过零度的值。

Description

光学装置、图像显示装置和显示装置
技术领域
本发明涉及一种光学装置、包括这种光学装置的图像显示装置以及包括这种图像显示装置的显示装置，具体而言，涉及用于头戴式显示器(HMD，Head Mounted Display)的显示装置。
背景技术
近年来，一直在致力于开发一种头戴式显示器(HMD)，该头戴式显示器显示来自设置在观察者的眼前的光学装置上的图像形成装置的图像。于是，尽管已经考虑了各种形式的头戴式显示器，但仍强烈期望头戴式显示器提供更宽视角的显示图像以便提供更逼真的图像。例如，从JPT2005-521099的图16，公知了一种头戴式显示器，其中两个偏转装置布置在构成光学装置的导光板上以解决这种需求。在这种头戴式显示器中，如该日本未审专利申请公开的第[0059]段中所述，输入波通过第一反射面16a耦合到第一LOE 20a的内部，并沿ξ轴方向传播。选择性反射表面22a将光耦合到20a的外部，然后该光通过第二反射表面16b耦合到第二LOE 20b的内部。然后，该光沿η轴传播，然后通过选择性反射面22b耦合到20b的外部。
[引用列表]
[专利文献]
[PTL 1]
JPT-2005-521099
发明内容
[技术问题]
然而，利用上述日本未审专利申请公开中公开的技术，从第一LOE 20a发射到第二LOE 20b的光中包括杂散光(stray light)，从而仅获得低图像质量的图像。
因此，本发明的目的是提供一种可以提供高图像质量的图像的光学装置、包括这种光学装置的图像显示装置以及包括这种图像显示装置的显示装置。
[解决问题的方法]
用于实现上述目的的根据本发明的光学装置包括：
第一导光元件，具有第一表面，第二表面，与第一表面相对的第三表面，与第二表面相对的第四表面，第五表面，和与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面，第八表面，与第七表面相对的第九表面，与第八表面相对的第十表面，第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面进入的光在第一导光元件内被全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，进入被设置为与第三表面分离的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括多个第一半透明层，所述多个第一半透明层设置为彼此分离并平行；
令α为当第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度，α的值是超过零度的值；及
令β为当第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度，β的值是超过零度的值。
用于实现上述目的的根据本发明的第一模式或第二模式的图像显示装置包括图像形成装置和光学装置，并且该光学装置包括根据本发明的上述光学装置。可替换地，图像显示装置包括图像形成装置和根据本发明的上述光学装置。
用于实现上述目的的根据本发明的第一模式或第二模式的显示装置包括：
安装在观察者头上的框架；及
附接在框架上的图像显示装置；
图像显示装置包括图像形成装置和光学装置；
光学装置包括根据本发明的上述光学装置。
可替换地，显示装置包括：
安装在观察者头上的框架；及
附接在框架上的图像显示装置；
图像显示装置包括图像形成装置和根据本发明的上述光学装置。
[发明的有益效果]
在根据本发明的光学装置中，该光学装置构成根据本发明的第一至第二模式的图像显示装置，或该光学装置构成根据本发明的第一至第二模式的显示装置的光学装置(以下，将这些光学装置统称为“本发明的光学装置等”)，α的值为超过零度的值，β的值为超过零度的值。因此，可以抑制(减少)从第一导光元件发出的光(图像)中包含的杂散光。结果，可以提供高图像质量的图像。要注意的是，本说明书中描述的效果仅是示例性的而不是限制性的，并且可以有额外的效果。
附图说明
[图1]
图1是示意性地示出根据第一实施例的光学装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置以及光的行进轨迹的图。
[图2]
图2A是示意性地示出根据图1所示的第一实施例的光学装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置的图，图2B是从图2A中的空心箭头方向观察第一导光元件和第二导光元件时的第一导光元件和第二导光元件的侧视图，图2C是从图2A中的黑色箭头方向观察第一导光元件和第二导光元件时的第一导光元件和第二导光元件的侧视图。
[图3]
图3是示意性地示出根据图1中所示的第一实施例的光学装置应用于双目显示装置时的第一导光元件和第二导光元件的布置的图。
[图4]
图4A和图4B是示意性地示出根据第一实施例的显示装置和根据第二实施例的显示装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置状态的图。
[图5]
图5A、图5B和图5C是帮助说明由杂散光导致的图像的形成如何根据角度α变化的图。
[图6]
图6A和图6B是示出当在根据第一实施例的光学装置中改变角度α和角度β时按照视场对角线角度值(单位：度)评估从第一导光元件发射的有效视场范围的结果的图。
[图7]
图7A和图7B是示出当在根据第一实施例的光学装置中改变角度α和角度β时按照视场对角线角度值(单位：度)评估从第一导光元件发射的有效视场范围的结果的图。
[图8]
图8的(A)、(B)、(C)、(D)、(E)和(F)是示出根据第一实施例的光学装置中当改变构成第一导光元件的材料的折射率n时评估从第一导光元件发射的有效视场范围的结果的图。
[图9]
图9是从上方观察根据第一实施例的显示装置的示意图。
[图10]
图10是从正面观察根据第一实施例的显示装置的示意图。
[图11]
图11A和图11D是从侧面观察根据第一实施例及其改进例的显示装置的示意图，图11B和图11C是第一导光元件等的示意性截面图。
[图12]
图12A、图12B和图12C是示意性地示出根据本发明的显示装置或图像显示装置中的图像形成装置的图。
[图13]
图13是示意性地示出根据第二实施例的光学装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置以及光的行进轨迹、图像形成装置和观察者的图。
[图14]
图14是示意性地示出根据图13中所示的第二实施例的光学装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置的图。
[图15]
图15A和图15B是用于帮助说明根据第三实施例构成光学装置的第一导光元件和根据第一实施例构成光学装置的第一导光元件与图像不均匀性之间的关系的图。
[图16]
图16是根据第三实施例构成光学装置的第二导光元件的光入射部分的示意性截面图。
[图17]
图17A、图17B和图17C是根据第三实施例构成光学装置的第一导光元件的示意性透视图。
[图18]
图18A和图18B是根据第一实施例构成光学装置和根据第三实施例的光学装置的第一导光元件的光入射表面的示意图，并且是图像不均匀性的示意图。
[图19]
图19A和图19B是根据第三实施例构成光学装置的改进例的第一导光元件的光入射表面的示意图，并且是图像不均匀性的示意图。
[图20]
图20是根据第四实施例构成光学装置的第一导光元件的光入射部分的示意性截面图。
[图21]
图21是根据第一实施例构成光学装置的第一导光元件的光入射部分的示意性截面图。
[图22]
图22的(A)和(B)是示出根据第五实施例的光学装置的第一导光元件中的各个区域中的发光状态以及反射角与光反射率之间的关系的图。
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，本发明不限于实施例，并且实施例中的各种数值和材料是说明性的。顺便提及，将按以下顺序进行描述。
1.根据本发明的光学装置，根据本发明的第一至第二模式的图像显示装置，根据本发明的第一至第二模式的显示装置以及一般描述
2.第一实施例(根据本发明的光学装置，根据本发明的第一至第二模式的图像显示装置，以及根据本发明的第一至第二模式的显示装置)
3.第二实施例(第一实施例的改进例)
4.第三实施例(第一至第二实施例的改进例)
5.第四实施例(第一至第三实施例的改进例)
6.第五实施例(第一至第四实施例的改进例)
7.其他
在根据本发明的光学装置等中，可以采用如下构造，其中第一导光元件设置有：
与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜，或
与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜，或
与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜及与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜。于是，在这种情况下，可以采用如下构造，其中在第一导光元件内的、与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜设置在距第一表面和第三表面等距离的区域的一部分中。可替换地，可以采用如下构造，其中，设置于第一导光构件以与第一表面和第三表面平行的半透明镜膜设置在第一表面上的区域的一部分或第三表面上的区域的一部分中。可替换地，可以采用如下构造，其中，在第一导光元件内的、与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜设置在距第二表面和第四表面等距离的区域的一部分中。可替换地，可以采用如下构造，其中，设置于第一导光元件的、以与第二表面和第四表面平行的半透明镜膜设置在第二表面上的一部分区域或第四表面上的一部分区域中。于是，因此将半透明镜膜设置于第一导光元件可以防止从第一导光元件的第三表面射出的图像中产生不均匀(明暗或阴影)。在半透明镜膜设置在第一表面的一部分区域或第三表面的一部分区域中的情况下，或者在半透明镜膜设置在第二表面的一部分区域中或第四表面的一部分区域中的情况下，保护元件优选地设置在半透明镜膜的、与第一导光元件不接触的表面上。从构成稍后描述的导光元件的材料中选择保护元件即可。顺便提及，在设置有半透明镜膜的情况和不设置半透明镜膜的情况中的任一个情况下，第一导光元件的第一表面、第二表面、第三表面或第四表面中的至少一个的整体都优选地被保护元件覆盖。
在包括上述优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，可以采用如下构造，其中，第二导光元件设置有与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜。于是，在这种情况下，可以采用如下构造，其中，在第二导光元件内的、与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜设置在距第七表面和第九表面等距离的区域的一部分中，或者可以采用如下构造，其中，设置于第二导光元件、以与第七表面和第九表面平行的半透明镜膜设置在第七表面上的一部分区域或第九表面上的一部分区域中。于是，因此将半透明镜膜设置于第二导光元件可以防止从第二导光元件的第七表面射出的图像中产生不均匀(明暗或阴影)。在半透明镜膜设置在第七表面的一部分区域或第九表面的一部分区域中的情况下，保护元件优选地设置在半透明镜膜的与第二导光元件不接触的表面上。从构成稍后描述的导光元件的材料中选择保护元件即可。顺便提及，在设置有半透明镜膜的情况和不设置半透明镜膜的情况中的任一个情况下，第二导光元件的第七表面或第九表面中的至少一个的整体都优选地被保护元件覆盖。
在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，可以采用如下构造，其中，在第一导光元件中的、第五表面附近设置有扩大入射在第五表面上的光的截面积的截面积扩大部，并且此外，在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，可以采用如下构造，其中，在第二导光元件中的、第八表面附近设置有扩大入射在第八表面上的光的截面积的第二截面积扩大部。因此，设置截面积扩大部可以减小第一导光元件的厚度并减小第二导光元件的厚度。可替换地，可以加宽入射在第一导光元件上的光线束的宽度，并且可以加宽入射在第二导光元件上的光线束的宽度。截面积扩大部例如可以通过在第一导光元件的光入射部(第五表面)和第二导光元件的光入射部(第八表面)附近包含的棱镜元件而形成，或者，可以通过将第一导光元件的光入射部(第五表面)和第二导光元件的光入射部(第八表面)加工成棱镜形状来形成截面积扩大部。即，可以采用如下构造，其中，截面积扩大部包括棱镜状的第一导光元件的第五表面，第二截面积扩大部包括棱镜状的第二导光元件的第八表面。可替换地，可以采用如下形式，其中，截面积扩大部的光入射表面的倾斜角(在YZ平面和截面积扩大部的光入射表面之间形成的角)的值小于第一导光元件的第五表面的倾斜角(在YZ平面与第五表面之间形成的角)的值(或与第一导光元件的第五表面的倾斜角的值不同)，以及可以采用如下形式，其中，第二截面积扩大部的光入射表面的倾斜角(在XZ平面和第二截面积扩大部的光入射表面之间形成的角)的值不同于第二导光元件的第八表面的倾斜角(在XZ平面和第八表面之间形成的角)的值(或小于第二导光元件的第八表面的倾斜角的值)。从图像形成装置的中央部分发射的光优选垂直进入第一导光元件的第五表面(在设置有截面积扩大部的情况下垂直于截面积扩大部的光入射表面)。另外，优选地，从图像形成装置的中央部分发射的光在第一导光元件内被引导，从第一导光元件的第三表面射出，并且垂直地进入第二导光元件的第八表面(在设置有第二截面积扩大部的情况下垂直于第二截面积扩大部的光入射表面)。
此外，在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，可以采用如下形式，其中，通过以彼此分离并平行的状态设置多个第二半透明层来形成第二偏转装置。在这种情况下，可以采用如下形式，其中，第一半透明层包括介电多层膜，第二半透明层包括介电多层膜。
此外，在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，可以采用如下形式，其中，构成第一偏转装置的多个第一半透明层中位于远离第五表面的位置的第一半透明层具有比位于第五表面附近位置的第一半透明层更高的光反射率(更低的透光率)。于是，通过采用这种形式，可以实现从第一导光元件的第三表面发出的图像的均匀亮度。类似地，可以采用如下形式，其中，构成第二偏转装置的多个第二半透明薄膜中位于远离第八表面的位置的第二半透明层具有比位于第八表面附近位置的第二半透明层更高的光反射率(更低的透光率)。于是，通过采用这种形式，可以实现从第二导光元件的第七表面发出的图像的均匀亮度。可替换地，第一半透明层可以是如下形式，其中，根据距第五表面的距离来定义在第一半透明层的法线与由第一半透明层反射的光线之间形成的角度(反射角)与光反射率之间的关系。可以通过以彼此分离并平行的状态设置多个第二半透明层来形成第二偏转装置，并且第二半透明层可以如下形式，其中，根据距第八表面的距离来定义在第二半透明层的法线与由第二半透明层反射的光线之间形成的角度(反射角)与光反射率之间的关系。
此外，在包括上述各种优选形式和构造的、根据本发明的光学装置等中，尽管不限于此，优选满足
20(度)≤α≤30(度)且
55(度)≤β≤65(度)。
此外，在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，可以采用如下构造，其中，第三表面和第八表面彼此平行。可以采用如下形式，其中，在第三表面和第八表面之间存在空气层，或者可以采用如下形式，其中，通过使用粘合剂将第三表面和第八表面彼此结合。在通过使用粘合剂将第三表面和第八表面彼此结合的情况下，要求构成粘合剂的材料的折射率值小于构成第一导光元件的材料的折射率值，使得在第一导光元件内传播的光在第三表面和粘合剂之间的界面处被全反射。
可以采用如下构造，其中，第一导光元件的第一表面和第三表面以零度角与XZ平面相交，并且第一导光元件的第二表面和第四表面以零度角与XY平面相交。可以采用如下构造，其中，第三表面以除零度之外的角度(γ)与XZ平面相交，并且第二表面和第四表面以除零度之外的角度(γ)与XY平面相交。
此外，在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，通过在第一导光元件内的全反射传播的准直光被多次反射(或衍射)，并以来自第一导光元件的准直光的状态射出。类似地，通过在第二导光元件内的全反射传播的准直光被多次反射(或衍射)，并以来自第二导光元件的准直光的状态射出。
第一导光元件和第二导光元件以在它们之间具有间隙的方式固定到支撑元件。即，在这些导光元件与支撑元件31之间设置有间隔。
构成第一导光元件、第二导光元件、支撑元件和保护元件的材料的构成材料可以包括含有石英玻璃的玻璃，诸如BK7的光学玻璃等，或塑料材料(例如，PMMA，聚碳酸酯树脂，丙烯酸基树脂，无定形聚丙烯基树脂和包括AS树脂的苯乙烯基树脂)。第一导光元件的外形可以为棒状(具体地，当通过与第一导光元件的轴线正交的假想平面切割第一导光元件时的截面形状为矩形)。第二导光元件的外形可以包括平板的形状(垂直于全反射面的方向是厚度方向)。期望的是，构成第一导光元件和第二导光元件的材料的折射率等于或大于1.5，优选地等于或大于1.6。作为折射率等于或大于1.5的材料，可以例示BK7，聚碳酸酯树脂，无定形聚丙烯基树脂和包括AS树脂的苯乙烯基树脂。作为折射率等于或大于1.6的材料，可以例示丙烯酸基树脂。顺便提及，也可以使用折射率等于或小于1.6的丙烯酸基树脂。
第一半透明层和第二半透明层可以包括介电多层膜，半镀银镜，偏振分束器或全息衍射光栅膜。在第一半透明层和第二半透明层包括介电多层膜的情况下，构成介电多层膜的介电材料可以包括例如Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等的氧化物，氮化物(例如，AlN、AlGaN、GaN、BN等)，氟化物等。具体地，可以例示SiO2、TiO2、Nb2O5、ZrO2、Ta2O5、ZnO、Al2O3、HfO2、AlN等。然后，可以通过在这些介电材料中交替层压包括具有不同折射率的介电材料的两种或更多种介电膜来获得介电多层膜。例如，优选SiO2/SiN、SiO2/Nb2O5、SiO2/TiO2、SiO2/ZrO2、SiO2/AlN等的多层膜。为了获得期望的透光率(光反射率)，适当选择构成每个介电膜的材料、膜厚度、叠层数量、多层膜的层数等即可。每个介电膜的厚度可以根据所使用的材料等适当地调节，并且由入射光的波长λ和所使用的材料在波长λ处的折射率n0确定。具体而言，优选λ/(4n0)的奇数倍。作为叠层数量，可以例示2个或更多个，优选为5～20个左右。由上述介电多层膜形成半透明镜膜即可。
在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的光学装置等中，光学装置是半透明类型(透视类型)。具体而言，将光学装置的与观察者的眼球(瞳孔)相对的至少一部分(第二导光元件)设为半透明(透视)，通过光学装置的该部分可以观察到外部景象。此处，术语“半透明”是指透射入射光的一部分而反射其余部分的意思，而不是意味着透射或反射1/2(50％)的入射光。半透明层和半透明镜膜中的“半透明”也以同样的含义使用。
根据本发明的图像显示装置或显示装置可以以单色(例如，绿色)进行图像显示，或者可以进行彩色图像显示。
在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的图像显示装置或根据本发明的显示装置中的图像显示装置中，可以采用如下形式，其中图像形成装置具有以二维矩阵的形式排列的多个像素。顺便提及，为方便起见，将这种图像形成装置的构造称为“第一构造的图像形成装置”。
第一构造的图像形成装置可以包括例如：包括反射性空间光调制装置和光源的图像形成装置；包括透射型空间光调制装置和光源的图像形成装置；包括发光元件诸如有机EL(电致发光)元件、无机EL元件、发光二极管(LED)、半导体激光元件等的图像形成装置。其中，优选包括反射型空间光调制装置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。空间光调制装置可以包括灯泡、透射或反射型液晶显示装置例如LCOS(硅上液晶)等以及数字微镜装置(DMD)。光源可以包括发光元件。此外，反射型空间光调制装置可以具有包括液晶显示装置和偏振分束器的构造，该偏振分束器反射来自光源的一部分光并将该部分光引导至液晶显示装置，并允许液晶显示装置反射的一部分光穿过并将该部分光引导至光学系统。
构成光源的发光元件可以包括红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件或白色发光元件。可替代地，可以通过使用光管混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件发出的红色、绿色和蓝色的颜色并均匀化亮度来获得白色光。例如，半导体激光元件、固态激光器或LED可以被例示为发光元件。根据图像显示装置所需的规格来确定像素的数量即可。作为像素数量的具体值，可以例示320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等。
可替代地，在包括上述各种优选形式和构造的根据本发明的图像显示装置或根据本发明的显示装置中的图像显示装置中，可以采用如下形式，其中图像形成装置包括光源和用于扫描从光源发射的准直光的扫描装置。顺便提及，为方便起见，将这种图像形成装置的构造称为“第二构造的图像形成装置”。
第二构造的图像形成装置中的光源可以包括发光元件，或者具体地，可以包括红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件或白色发光元件。可替代地，可以通过使用光管混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件发出的红色、绿色和蓝色的颜色并均匀化亮度来获得白色光。例如，半导体激光元件、固态激光器或LED可以被例示为发光元件。根据图像显示装置所需的规格来确定第二构造的图像形成装置中的像素(虚拟像素)的数量即可。作为像素(虚拟像素)数量的具体值，可以例示320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等。另外，在进行彩色图像显示并且光源包括红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件的情况下，优选例如通过使用十字棱镜来进行颜色合成。扫描装置可以包括具有可在二维方向上旋转的微镜的MEMS(微机电系统)，例如，微镜对从光源和检流计反射镜发射的光进行水平扫描和垂直扫描。
在第一构造的图像形成装置或第二构造的图像形成装置中，虽然使在光学系统(是将从图像形成装置发射的光转换为准直光的光学系统，并且在某些情况下被称为“准直发光光学系统”，并且具体地，例如，是准直光学系统或中继光学系统)中形成为多束准直光的光入射到第一导光元件上，但对这种准直光的要求是，当这些光进入第一导光元件时的光波前信息在通过第一偏转装置和第二偏转装置从第二导光元件射出之后仍被保留。顺便提及，为了产生多束准直光，具体地，例如，将图像形成装置的发光部分定位在准直发光光学系统中的焦距处(位置)就足够了。准直发光光学系统具有在光学装置的光学系统中将像素位置信息转换为角度信息的功能。作为准直发光光学系统，可以例示整体上具有正光强度的光学系统，该光学系统单独或组合使用凸透镜、凹透镜、自由曲面棱镜或全息透镜。可以在准直发光光学系统和第一导光元件之间设置具有开口部的遮光单元，以防止不期望的光从准直发光光学系统发出并进入第一导光元件。另外，可以在第一导光元件和第二导光元件之间设置具有开口部的遮光单元，以防止从第一导光元件发出的不期望的光进入第二导光元件。
在根据本发明的显示装置中，可以采用如下构造，其中，框架包括设置在观察者前方的前部和经由铰链可旋转地附接到该前部的两端的两个镜腿部。顺便提及，端盖部附接到每个镜腿部的端部。图像显示装置被附接到框架上。具体地，例如，将图像形成装置附接到镜腿部即可。另外，也可以采用前部和两个镜腿部彼此一体的构造。即，当观看根据本发明的整个显示装置时，框架基本上具有与普通眼镜基本相同的结构。构成包括衬垫部的框架的材料可以包括与构成普通眼镜的材料相同的材料，例如金属，合金，塑料或其组合。另外，可以采用鼻托安装在前部的构造。即，当观看根据本发明的整个显示装置时，框架(包括边框)和鼻托的组件具有与普通眼镜基本相同的结构。鼻托也可以具有公知的构造和结构。
另外，在根据本发明的显示装置中，从设计或易于安装的观点出发，优选如下形式，其中来自一种或两种图像形成装置的布线(信号线，电源线等)经由镜腿部的内部和端盖部从端盖部的端部延伸至外部，并连接至控制装置(控制电路或控制装置)。此外，可以采用如下形式，其中每个图像形成装置包括耳机单元，并且用于来自每个图像形成装置的耳机单元的布线经由镜腿部的内部和端盖部从端盖部的端部延伸到耳机单元。耳机单元可以包括例如入耳式耳机单元或耳道式耳机单元。更具体地，优选的形式是，其中用于耳机单元的布线从端盖部的端部延伸到耳机单元，从而绕耳廓(耳壳)的后侧环绕。另外，可以采用如下形式，其中成像装置附接到前部的中央部分。成像装置具体包括例如包括CCD或CMOS传感器和透镜的固态成像元件。例如，经由前部将来自成像装置的布线连接到一个图像显示装置(或一个图像形成装置)即可，并且在从图像显示装置(或图像形成装置)延伸的布线中还包括来自成像装置的布线。
图像显示装置可以包括调光装置。即，第二导光元件可以与调光装置的至少一部分重叠。
可以采用如下形式，其中调光装置具体包括：
第一基板；
与第一基板相对的第二基板；
第一透明电极，设置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，设置在第二基板的与第一基板相对的相对表面上；及
调光层，夹在第一透明电极和第二透明电极之间。
顺便提及，在调光装置的操作期间，在调光装置的操作期间，例如，将高于第二透明电极的电压的电压施加到第一透明电极。
可以采用如下形式，其中调光层包括光学快门，在该光学快门上应用物质的颜色变化，该变化由于无机或有机电致变色材料的氧化-还原反应而发生。具体地，可以采用如下形式，其中调光层包括无机或有机电致变色材料。此外，可以采用如下形式，其中调光层具有从第一透明电极侧起诸如WO3层/Ta2O5层/lrXSn1-XO层的无机电致变色材料层的层叠结构或诸如WO3层/Ta2O5层/lrOX层的无机电致变色材料层的层叠结构。可以使用MoO3层或V2O5层代替WO3层。另外，代替lrOX层，可以使用ZrO2层或磷酸锆层，或者也可以使用普鲁士蓝络合物/镍取代的普鲁士蓝络合物等。例如，可以将日本专利公开No.2014-111710和日本专利公开No.2014-159385中公开的电致变色材料用作有机电致变色材料。
可替代地，可以采用如下形式，其中调光层包括电泳分散液，并且可以采用如下形式，其中调光装置是基于电沉积系统(电沉积或电场沉积)的光学快门，施加有由于金属(例如，银颗粒)的可逆氧化-还原反应而发生的电沉积解离现象，即，调光层包括包含金属离子的电解质。
此处，电泳分散液包括大量带电的电泳颗粒和颜色与电泳颗粒不同的分散介质。例如，在第一透明电极上进行图案化而第二透明电极上不进行图案化(所谓的固体电极结构)以及电泳粒子带负电的情况下，当将相对负的电压施加到第一透明电极并且将相对正的电压施加到第二透明电极时，带负电的电泳粒子迁移，以覆盖第二透明电极。因此，调光装置中的遮光率是高值。另一方面，相反，当将相对正的电压施加到第一透明电极并且将相对负的电压施加到第二透明电极时，电泳粒子迁移以覆盖第一透明电极。因此，调光装置中的遮光率是低值。调光装置中的遮光率可以通过适当地在这样的透明电极上执行应用来控制。电压可以是直流电压，或者可以是交流电压。图案化的第一透明电极的形状是使当电泳粒子迁移以覆盖第一透明电极并且调光装置中的遮光率变为低值时可以优化调光装置中的遮光率的值的形状即可。通过执行各种测试来确定图案化的第一透明电极的形状即可。可以根据需要在透明电极上形成绝缘层。构成这种绝缘层的材料可以例如包括无色透明的绝缘树脂，并且可以具体地包括例如丙烯酸基树脂、环氧基树脂、氟基树脂、硅酮基树脂、聚酰亚胺基树脂、聚苯乙烯基树脂等。
构成调光装置的透明第一基板和透明第二基板的材料可以具体包括诸如钠钙玻璃、白玻璃板等的透明玻璃基板、塑料基板、塑料片和塑料膜。此处，塑料可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、诸如乙酸纤维素等的纤维素酯、诸如聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯与六氟丙烯等的共聚物的氟基聚合物、诸如聚甲醛等的聚醚、聚缩醛、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、诸如甲基戊烯聚合物等的聚烯烃、诸如聚酰亚胺、聚醚酰亚胺等的聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚砜、聚苯硫醚、聚偏二氟乙烯、四乙酰基纤维素、溴化苯氧基、聚芳酯、聚砜等。塑料片和塑料膜可以具有刚性从而不容易弯曲，或者可以具有柔性。在第一基板和第二基板包括透明塑料基板的情况下，可以在基板的内表面中形成包括无机材料或有机材料的阻挡层。
第一基板和第二基板由密封元件密封，并且在外边缘部分处彼此结合。热固型、光固化型、湿气固化型、厌氧固化型等各种树脂例如环氧基树脂、聚氨酯基树脂、丙烯酸基树脂、乙酸乙烯酯基树脂、硫醇基树脂、硅酮基树脂、改性的聚合物树脂等可以用作密封元件，也称为密封剂。
当采用构成调光装置的基板之一兼作第二导光元件的构造时，可以减小显示装置整体的重量，因此不必担心会给显示装置的用户带来不适感。
第一透明电极可以被图案化或者可以不被图案化。第二透明电极可以被图案化或者可以不被图案化。构成第一透明电极和第二透明电极的材料可以具体包括铟锡复合氧化物(包括ITO，铟锡氧化物，Sn掺杂的In2O3，晶体ITO和非晶ITO)、氟掺杂的SnO2(FTO)、IFO(F掺杂的In2O3)、锑掺杂的SnO2(ATO)、SnO2、ZnO(包括Al掺杂的ZnO和B掺杂的ZnO)、铟锌复合氧化物(IZO，铟锌氧化物)、尖晶石型氧化物、具有YbFe2O4结构的氧化物、导电聚合物例如聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等。然而，材料不限于这些材料，并且这些材料中的两种或更多种可以彼此组合使用。可以基于诸如真空蒸发法、溅射法等的物理气相沉积法(PVD法)、各种化学气相沉积法(CVD法)、各种涂布方法等来形成第一透明电极和第二透明电极。可以通过诸如蚀刻方法、剥离方法、使用各种掩模的方法等的任意方法来执行图案化。
可以采用将调光装置设置在前部的形式。于是，在这种情况下，可以采用如下形式，其中：前部具有边框；调光装置安装在边框中。另外，在包括上述各种优选形式的根据本发明的显示装置中，第二导光元件和调光装置可以从观察者侧依次布置，或者调光装置和第二导光元件可以从观察者侧依次布置。
可以采用如下形式，其中：进一步包括测量放置显示装置的环境的照度的照度传感器(环境照度测量传感器)；并且，根据照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果来控制调光装置的遮光率。可替代地，可以采用如下形式，其中：进一步包括测量放置显示装置的环境的照度的照度传感器(环境照度测量传感器)；并且，根据照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果来控制由图像形成装置形成的图像的亮度。这些形式可以彼此组合。
替代地，可以采用如下形式，其中进一步包括基于来自外部环境的透过调光装置的光来测量照度的第二照度传感器(在某些情况下，为方便起见，将该照度传感器称为“透射光照度测量传感器”)；根据第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果来控制调光装置的遮光率。可替代地，可以采用如下形式，其中：进一步包括基于来自外部环境的透过调光装置的光来测量照度的第二照度传感器(透射光照度测量传感器)；并且，根据第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果来控制由图像形成装置形成的图像的亮度。
顺便提及，优选的是将第二照度传感器(透射光照度测量传感器)设置在光学装置的观察者侧的形式。可以布置至少两个第二照度传感器(透射光照度测量传感器)，可以测量基于透过高遮光率部分的光的照度，以及可以测量基于透过低遮光率部分的光的照度。这些形式可以彼此组合。此外，这些形式和其中根据上述照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果进行控制的形式可以彼此组合。
由公知的照度传感器形成照度传感器(环境照度测量传感器和透射光照度测量传感器)即可。基于公知的控制电路控制照度传感器即可。
可以采用如下形式，其中调光装置的最大透光率等于或大于50％，并且调光装置的最小透光率等于或小于30％。顺便提及，调光装置的最大透光率的上限值可以列举为99％，调光装置的最小透光率的下限值可以列举为1％。此处，以下关系成立：
(透光率)＝1-(遮光率)
将连接器附接到调光装置(具体地，将连接器附接到第一透明电极和第二透明电极)，并且经由连接器和布线将调光装置电连接至用于控制调光装置的遮光率的控制电路(控制电路是调光装置控制电路，并且例如被包括在用于控制图像形成装置的控制装置中)即可。
在一些情况下，可以采用如下构造，其中调光装置以期望的颜色对通过调光装置的光进行着色。于是，在这种情况下，可以采用如下形式，其中调光装置给予的颜色可变，或者可以采用如下形式，其中调光装置给予的颜色固定。顺便提及，在前一种情况下，例如，层叠给予红色的调光装置、给予绿色的调光装置和给予蓝色的调光装置的形式即可。另外，在后一种情况下，尽管不限制调光装置给予的颜色，但是可以将棕色例示为调光装置给予的颜色。
观察者观察通过调光装置和光学装置的光的亮度，并且观察者可以通过操作开关、按钮、拨盘、滑动器、旋钮等来手动控制和调节遮光率。可替代地，可以基于上述第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果来控制和调节遮光率，该第二照度传感器基于从外部环境透过调光装置的光来测量照度。顺便提及，为了控制和调节遮光率，具体地说，控制施加到第一透明电极和第二透明电极的电压即可。可以布置至少两个第二照度传感器(透射光照度测量传感器)，可以测量基于穿过高遮光率部分的光的照度，以及可以测量基于穿过低遮光率部分的光的照度。显示装置可以包括一个图像显示装置，或者可以包括两个图像显示装置。在包括两个图像显示装置的情况下，一个调光装置中的遮光率和另一个调光装置中的遮光率可以通过调节施加在一个调光装置和另一个调光装置中每一个中的第一透明电极和第二透明电极上的电压来均衡。调光装置中的遮光率和另一个调光装置中的遮光率例如可以根据上述第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果来控制，该第二照度传感器基于从外部环境透过调光装置的光测量照度。可替换地，观察者观察透过一个调光装置和一个光学装置的光的亮度以及透过另一个调光装置和另一个光学装置的光的亮度，并且观察者可以通过操作开关、按钮、拨盘、滑动器、旋钮等，手动控制和调节该一个调光装置中的遮光率和另一个调光装置中的遮光率。在调节遮光率的情况下，可以在光学装置上显示测试图案。
根据本发明的显示装置可以构成例如头戴式显示器(HMD)。于是，由此可以实现显示装置的重量减轻和小型化，大大减少了在佩戴显示装置时的不适感，并且进一步实现了制造成本的降低。可替代地，根据本发明的图像显示装置可以应用于设置在车辆、飞机的驾驶舱等中的平视显示器(HUD)。具体地，可以采用HUD，使得其中形成有基于从图像形成装置发射的光的虚拟图像的虚拟图像形成区域设置在车辆、飞机的驾驶舱等的挡风玻璃中，或者可以采用HUD，以使得将具有其中形成有基于从图像形成装置发射的光的虚拟图像的虚拟图像形成区域的合成器设置在车辆、飞机的驾驶舱等的挡风玻璃中。
第一实施例
第一实施例涉及根据本发明的一种光学装置，根据本发明的第一模式至第二模式的图像显示装置以及根据本发明的第一至第二模式的显示装置。图1示意性地示出了根据第一实施例的光学装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置以及光的行进轨迹、图像成像装置和观察者的眼睛。图2A示意性地示出了第一导光元件和第二导光元件的布置。另外，图2B和图2C示出了当从图2A中的空心箭头和图2A中的黑色箭头方向观察第一导光元件和第二导光元件时的第一导光元件和第二导光元件的侧视图。此外，图3示意性地示出了在根据图1中所示的第一实施例的光学装置应用于双目显示装置时的第一导光元件和第二导光元件的布置。图4A示意性地示出了根据第一实施例的显示装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置状态。另外，图9示出了从上方观察根据第一实施例的显示装置的示意图。图10示出了从正面观察根据第一实施例的显示装置的示意图。图11A示出了从侧面观察根据第一实施例的显示装置的示意图。图11B示出了第一导光元件等的示意性截面图。顺便提及，在附图中，“R”被附加到用于右眼的光学装置等的附图标记，“L”被附加到用于左眼的光学装置等的附图标记。
根据第一实施例的光学装置30包括：
第一导光元件40，具有第一表面40A、第二表面40B、与第一表面40A相对的第三表面40C、与第二表面40B相对的第四表面40D、第五表面40E和与第五表面40E相对的第六表面40F，并在内部包括第一偏转装置41；及
第二导光元件50，具有第七表面50A、第八表面50B、与第七表面50A相对的第九表面50C、与第八表面50B相对的第十表面50D、第十一表面50E和与第十一表面50E相对的第十二表面50F，并在内部包括第二偏转装置51。
于是，
第一表面40A和第三表面40C彼此平行，
第二表面40B和第四表面40D彼此平行并且与第一表面40A和第三表面40C正交，
第七表面50A和第九表面50C在XYZ正交坐标系中与XY平面平行，
从第五表面40E进入的光(在某些情况下用空心箭头R和黑色箭头L表示光)在第一导光元件40内被全反射，被第一偏转装置41偏转，从第三表面40C射出，进入设置成与第三表面40C分离的第八表面50B，在第七表面50A和第九表面50C之间全反射，由第二偏转装置51偏转，并从第七表面50A射出，
第一偏转装置41包括多个第一半透明层42，多个第一半透明层42布置为彼此分离并平行，
令α为当第一半透明层42的法线投影到XZ平面上时第一半透明层42的法线与X轴之间形成的角度，α的值是超过零度的值；及
令β为当第一半透明层42的法线投影到XY平面上时第一半透明层42的法线与X轴之间形成的角度，β的值是超过零度的值。
根据第一实施例的图像显示装置包括图像形成装置60和光学装置。光学装置包括根据第一实施例的光学装置30。根据第一实施例的显示装置更具体地是头戴式显示器(HMD)。根据第一实施例的显示装置包括：
安装在观察者20头上的框架10(例如，眼镜型框架10)；及
附接在框架10上的图像显示装置；
图像显示装置包括图像形成装置60和光学装置；及
光学装置包括根据第一实施例的光学装置30。
图像形成装置60显示例如包括红色、绿色和蓝色的三种原色的彩色图像(虚拟图像)。包括第一导光元件40、第二导光元件50和固定这些导光元件的支撑元件31的系统是半透明的类型(透视型)。顺便提及，在这些导光元件和支撑元件31之间设置有间隔。尽管在本实施例中，具体示出了包括两个图像显示装置的双目类型，但是也可以采用包括一个图像显示装置的单目类型。图像形成装置60可以固定地附接在框架10上，也可以可拆卸地附接在框架10上。
此处，第二偏转装置51包括多个第二半透明层52，该多个第二半透明层52布置为彼此分离并且平行。于是，第一半透明层42和第二半透明层包括介电多层膜。具体地，介电多层膜具有例如通过交替层叠SiO2膜(折射率为1.462)和Nb2O5膜(折射率为2.378)形成的结构，或者具有例如通过交替层叠SiO2膜和TiO2膜(折射率为2.493)形成的结构。第二半透明层52的法线包括在YZ平面中。
另外，第三表面40C和第八表面50B彼此平行。从图像形成装置60的中央部分发射的光优选地垂直进入第一导光元件40的第五表面40E。另外，优选地，从图像形成装置60的中央部分发射的光在第一导光元件40内被引导，从第一导光元件40的第三表面40C射出，并且垂直地进入第二导光元件50的第八表面50B。
如图1所示，从图像形成装置60发出的图像以一定角度进入第一导光元件40的第五表面40E。从图像形成装置60射出并进入第一导光元件40的第五表面40E的光线用“R0”表示。进入第一导光元件40的内部并整体上沿X方向行进(传播或透射)的光撞击到第一导光元件40的第一表面40A、第二表面40B、第三表面40C和第四表面40D，在这些表面40A、40B、40C和40D反复全反射，并向第六表面40F行进。然后，撞击到第一半透明层42的光的一部分穿过第一半透明层42，并且撞击到第一半透明层42的光的一部分被第一半透明层42反射和偏转，并且作为光线R1从第三表面40C射出。当从图像形成装置60的中央部分发射的光在第一导光元件40内被引导时，从第一导光元件40的第三表面40C射出，并且从第八表面50B进入第二导光元件50，光被包括在YZ平面中。进入第一导光元件40的准直光束从第三表面40C射出。第一导光元件40在X方向上扩大(扩展)光线束的宽度。尽管在图1、图2A、图3、图4A、图4B、图13和图14中，将第一导光元件40的光入射表面(第五表面40E)示出为与作为导光方向的X轴垂直的表面以简化附图，但优选地，根据整个显示装置的布置和第一半透明层42的倾斜度，将第一导光元件40的光入射表面(第五表面40E)设计为适当地倾斜。即，尽管在图1、图2A、图2B、图2C、图3、图4A、图4B、图10、11B、11C、图13、图14、图17A、图17B和图17C中将第一导光元件40的第一表面40A和第三表面40C示出为包括在XZ平面中，并且将第二表面40B和第四表面40D示出为包括在XY平面中，但可以采用如下构造，其中，第一表面40A和第三表面40C以除零度之外的角度(γ)与XZ平面相交，并且第二表面40B和第四表面40D以除零度之外的角度(γ)与XY平面相交。具有开口部的遮光单元可以设置在图像形成装置60和第一导光元件40之间，以防止不期望的光从图像形成装置60射出并进入第一导光元件40。
从第一导光元件40的第三表面40C射出的光线R1进入第二导光元件50的第八表面50B。进入第二导光元件50的内部并沿Y方向行进的光整体上撞击到第二导光元件50的第七表面50A和第九表面50C，在这些表面50A和50C上反复全反射，并向第十表面50D行进。然后，撞击到第二半透明层52的光的一部分穿过第二半透明层52。撞击到第二半透明层52的光的一部分被第二半透明层52反射和偏转，作为光线R2从第七表面50A射出，并到达观察者20的眼睛21。进入第二导光元件50的准直光束因此从第七表面50A射出。第二导光元件50在Y方向上扩大(扩展)光线束的宽度。因此，入射光线束可以二维地扩展并由光学装置30中提取。可以在第一导光元件40和第二导光元件50之间设置具有开口部的遮光单元，以防止从第一导光元件40射出的光的不希望的光进入第二导光元件50。尽管在图1、图2A、图2B、图2C、图3、图4A、图4B、图10、11B、11C、图13和图14将第二导光元件50的光入射表面(第八表面50B)示出为垂直于作为导光方向的Y轴的表面以简化附图，但优选地，根据整个显示装置的布置和第二半透明层52的倾斜度，将第二导光元件50的光入射表面(第八表面50B)设计为适当地倾斜。
通过在构成第一导光元件40并具有期望厚度的材料(为方便起见，该材料在下文中称为“导光材料”，例如包括折射率为1.517的玻璃材料BK7或折射率为1.525的丙烯酸基树脂)上重复所需次数的形成第一半透明层42，将具有所需厚度的导光材料层叠到第一半透明层42上，并在层叠的导光材料上形成第一半透明层42，然后切出块以使角度α和β是期望值的步骤，借以获得具有所需厚度的块和形成在该块内的所需数量的第一半透明层42，可以获得第一导光元件40。第二导光元件50也可以通过类似的方法来制造。第一导光元件40具有通过层叠第一半透明层42和导光材料而形成的结构。第二导光元件50具有通过层叠第二半透明层52和导光材料而形成的结构。
下面将描述通过控制第一半透明层42的倾斜度来避免杂散光的方法。图5A、图5B和图5C示意性地示出了当从上方观察第一导光元件40时在第一导光元件40内传播(透射)的光线。顺便提及，在基于这些附图的描述中，β等于零度。
在图5A所示的示例中，角度α为零度，并且在光线在X轴方向上传播的图像的上端的光线(由实线RU1和RU2表示)和在图像的下端的光线(由虚线RD1和RU2表示)包括由于第一导光元件40和第一半透明层42的对称性而以相同角度(但是，该角度的符号为正和负)撞击到第一半透明层42的光线。此时，与基于图像信号的光线相对应的光线RU1和R D1(该光线将被称为“信号光线”)和杂散光RU2和RD2从第一半透明层42对称地射出。结果，在有效的视场区域中(参见图5C的右侧图)，由信号光线产生的输出图像(该输出图像由图5A的右侧图中的空心向上箭头表示)和由杂散光产生的输出图像(该输出图像由图5A的右侧图中的灰色向下箭头表示)以重叠的方式显示为倒置图像(镜像)，从而导致显示图像的质量下降。
另一方面，在图5B中，角度α是超过零度的值。于是，可以将与信号光线对应的光线RU1和杂散光RD2的发射方向彼此分离，并且可以将与信号光线对应的光线RD1和杂散光RU2的发射方向彼此分离。结果，由信号光线产生的输出图像(该输出图像由图5B的右侧图中的空心向上箭头表示)和由杂散光产生的输出图像(该输出图像由图5B的右手侧图中的灰色向下箭头表示)显示为彼此分离。因此，可以实现显示图像质量的提高。
在图5C中，角度α是超过零度的值(但是，该角度大于图5B中所示的角度)。于是，可以更可靠地将与信号光线对应的光线RU1和杂散光RD2的发射方向彼此分离，并且可以更可靠地将与信号光线对应的光线RD1和杂散光RU2的发射方向彼此分离。结果，由信号光线产生的输出图像(该输出图像由图5B的右侧图中的空心向上箭头表示)和由杂散光产生的输出图像(该输出图像由图5B的右手侧图中的灰色向下箭头表示)显示为彼此完全分离。因此，可以实现显示图像质量的进一步提高。
接下来，基于模拟，将当角度α和角度β改变时从第一导光元件40发射的有效视场范围评估为视场对角线角度值(单位：度)。评估结果在图6A、图6B、图7A和图7B中示出。顺便提及，图6A示出了β＝55度的结果，图6B示出了β＝60度的结果，图7A示出了β＝65度的结果，图7B示出了β＝70度的结果。此处，在图6A、图6B、图7A和图7B中，纵坐标轴指示有效视场范围为视场对角线角度值(单位：度)，而横坐标轴表示角度α(单位：度)。角度α以5度为步长变化。另外，在图6A、图6B、图7A和图7B中，“A”表示有效视场区域的视场对角线角度值，“B”表示发生杂散光的视场对角线角度值，“C”表示因为超过了第一导光元件的全反射限度，所以有效视场区域受到限制的视场对角线角度值。“A”的区域越宽，有效视场区域的视场对角线角度值越大，并且希望视场对角线角度值较大。
如图6A和图6B所示，通过在每个角度β处调整角度α，可以在避免杂散光的同时确保宽的有效视场范围。特别地，通过将角度β选择为60度，并且将角度α选择在20度至30度的范围内，可以实现提供对角线角度为60度或以上的宽视场的显示装置。另一方面，图7A和图7B表示从角度β超过60度的点附近开始，超过了第一导光元件的全反射限度，因此有效视场区域受到限制。
以上结果表明，在根据第一实施例的光学装置中，尽管不限于此，优选地满足：
20(度)≤α≤30(度)
55(度)≤β≤65(度)。
接下来，图8示出了当改变构成第一导光元件40的材料的折射率n时从第一导光元件40射出的有效视场范围的模拟结果。此处，图8的每个图与折射率之间的关系等如下。顺便提及，使具有65度对角线角度的图像光(用于图像显示的光)入射在第一导光元件40上。
在图8的(A)、图8的(C)和图8的(E)中，当第一半透明层42的倾斜度(α，β)为(25度，60度)时，发现随着构成第一导光元件的材料的折射率n的值增大，杂散光的输出图像(由“A”表示)从有效视场范围逸出至外部。这是因为第一导光元件40与空气之间的折射率差越大，当从第一导光元件40射出杂散光时，在第一导光元件40内产生的杂散光的折射越强。此外，可以认识到，在图8的(B)、图8的(D)和图8的(F)中，当第一半透明层42的倾斜度(α，β)为(25度，65度)时，构成第一导光元件40的材料的折射率n的值越高，由于全反射限度，渐晕就越小(由“B”表示)。
在第一实施例中，图像形成装置60包括第一构造的图像形成装置。具体而言，如图12A的概念图所示，图像形成装置60A包括具有有机EL显示装置的空间光调制装置62。从空间光调制装置62射出的图像例如通过包括凸透镜的透镜系统(光学系统)61，成为准直光，并到达第一导光元件40的第五表面40E。整个图像形成装置60A容纳在壳体(未示出)内。壳体通过附接元件19附接至镜腿部13。空间光调制装置62包括以二维矩阵形式排列的多个(例如，640×480)像素(有机EL元件)。
可替代地，如图12B的概念图所示，图像形成装置60B包括第一构造的图像形成装置。图像形成装置60B具体包括反射型空间光调制装置和光源63，光源63包括发出白光的发光二极管。每个图像形成装置60B的整体被容纳在壳体(未示出)内。开口部(未示出)设置在壳体中。经由开口部从光学系统(准直发光光学系统或准直光学系统)61发出光。壳体通过附接元件19附接到镜腿部13。反射型空间光调制装置包括液晶显示装置(LCD)64，液晶显示装置(LCD)64包括LCOS作为光阀。此外，设置偏振分束器65，该偏振分束器65反射来自光源63的光的一部分并将该部分光引导至液晶显示装置64，并且允许被液晶显示装置64反射的光的一部分通过，并将该部分光引导至透镜系统(光学系统)61。液晶显示装置64包括以二维矩阵形式排列的多个(例如，640×480)像素(液晶单元)。偏振分束器65具有公知的构造和结构。从光源63发射的非偏振光撞击到偏振分束器65。P偏振光分量穿过偏振分束器65，并射出到系统外部。另一方面，S偏振光分量在偏振分束器65中反射，进入液晶显示装置64，在液晶显示装置64内反射，并从液晶显示装置64射出。此处，在从液晶显示装置64射出的光中，从显示为“白色”的像素射出的光包括大量的P偏振光分量，从显示为“黑色”的像素射出的光包括大量的S偏振光分量。因此，在从液晶显示装置64射出并撞击到偏振光分束器65的光中，P偏振光分量穿过偏振光分束器65而到达第一导光元件40的第五表面40E。另一方面，S偏振光分量在偏振分束器65中反射，并返回到光源63。光学系统61例如包括凸透镜。为了产生准直的光，将图像形成装置60B(更具体地，液晶显示装置64)设置在光学系统61中的焦距处(位置)。
可替代地，如图12C的概念图所示，图像形成装置60C包括第二构造的图像形成装置。具体地，图像形成装置60C包括光源66和用于通过扫描从光源66发出的光来形成图像的扫描装置69。更具体地，图像形成装置60C包括激光源66和MEMS镜69。从MEMS镜69发出的光穿过透镜系统61，并进入第一导光元件40的第五表面40E。具体地，激光源66包括发出绿色的发光元件。然后，从光源66发出的光由透镜67转换为准直光，由反射镜68改变光路，并由包括MEMS镜的扫描装置69进行水平扫描和垂直扫描，其中，微镜可在二维方向上旋转，并且能够二维扫描入射的准直光，从而被转换为一种二维图像。因此，生成了虚拟像素(像素数例如为640×480)。然后，来自虚拟像素(对应于图像发射单元的扫描装置69)的光穿过具有正光强度的透镜系统(光学系统)61，并且转换为准直光的光束进入第一导光元件40的第五表面40E。顺便提及，整个图像形成装置60C容纳在壳体(未示出)内。
如后所述，由于从导光元件射出的射出光线束的密度不均衡，因此担心在有效视场区域内出现亮度不均匀。为了防止亮度不均匀，需要确保在导光元件内引导的光线束的宽度较宽。为此，使准直光束以宽的光线束宽度进入第一导光元件40。因此，在与光学系统61的出射光瞳的位置对应的第一导光元件40的光入射表面(第五表面40E)的位置处，优选地将出射光瞳直径设计为覆盖光入射表面(第五表面40E)的整个区域。
框架10包括：前部11，设置在观察者20的前方；两个镜腿部13，通过铰链12可旋转地附接到前部11的两端；端盖部(也称为尖端单元、端件或耳垫)14附接到各镜腿部13的端部。另外，安装了鼻托10'。即，框架10和鼻托10'的组件基本上具有与普通眼镜基本相同的结构。此外，每个壳体通过附接元件19附接到镜腿部13。框架10由金属或塑料制成。顺便提及，每个壳体可通过附接元件19可拆卸地附接到镜腿部13。另外，对于拥有并佩戴眼镜的观察者，每个壳体可通过附接元件19可拆卸地附接到观察者所拥有的框架10的镜腿部13。每个壳体可以附接到镜腿部13的外部，或者可以附接到镜腿部13的内部。可替换地，可以将支撑元件31装配到设置在前部11上的边框11”中(仅在图11B和图11C中示出)。
此外，从一个图像形成装置60延伸的布线(信号线，电源线等)15经由镜腿部13和端盖部14的内部从端盖部14的端部延伸至外部，并连接到控制装置(控制电路或控制模块)18。此外，每个图像形成装置60包括耳机单元16和用于耳机单元的布线16'，该布线16'从每个图像形成装置60延伸，经由镜腿部13和端盖部14的内部从端盖部14的端部延伸到耳机单元16。更具体地，用于耳机单元的布线16'从端盖部14的端部延伸到耳机单元16，从而绕耳壳(耳廓)的后侧环绕。这样的配置使得可以提供整齐地形成的显示装置，而不会给人以耳机单元16和用于耳机单元的布线16'被无序布置的印象。
如上所述，布线(信号线，电源线等)15连接至控制装置(控制电路)18。控制装置18执行用于图像显示的处理。控制装置18可以包括公知的电路。
根据需要，包括具有CCD或CMOS传感器的固态成像元件和透镜(未示出固态成像元件和透镜)的成像装置(照相机)17由适当的附接元件(未示出)附接到前部11的中央部分11'。来自成像装置17的信号经由从成像装置17延伸的布线(未示出)被发送到控制装置(控制电路)18。
如上所述，在根据第一实施例的光学装置中，α的值是超过零度的值，并且β的值也是超过零度的值。因此，可以抑制(减少)从第一导光元件发出的光(图像)中包含杂散光。结果，可以提供高图像质量的图像。另外，第一导光元件具有沿X方向扩大光线束的宽度的效果，使得沿X方向扩大观察系统的出射光瞳，第二导光元件具有沿Y方向扩大光线束的宽度的效果，使得沿Y方向扩大观察系统的出射光瞳。因此，光学装置可以二维地扩大观察系统的出射光瞳。因此，可以使光学系统小型化，并且在设计提供宽视场的显示装置中获得了很大的优势。
第二实施例
第二实施例是第一实施例的修改。图13示意性地示出了根据第二实施例的光学装置中的第一导光元件和第二导光元件的布置以及光的行进轨迹、图像形成装置和观察者的眼睛。图14示意性地示出了第一导光元件和第二导光元件的布置。顺便提及，当从图14中的空心箭头B和图14中的黑色箭头C的方向观察第一导光元件和第二导光元件时，第一导光元件和第二导光元件的侧视图与图2B和图2C中所示的相似。
在第一实施例中，杆状的第一导光元件40在水平方向上延伸。另一方面，在第二实施例中，杆状的第一导光元件40在竖直方向上延伸。可以使根据第二实施例的光学装置、图像显示装置和显示装置与在第一实施例中描述的光学装置、图像显示装置和显示装置在其他方面相似，因此将省略详细描述。
第三实施例
第三实施例是第一至第二实施例的修改。在光学装置中，在导光元件内传播的光线束的宽度不够宽的情况下，担心会发生从导光元件射出的光线束的密度不均衡。在根据第三实施例的光学装置中，通过在导光元件上设置半透明的镜膜来加宽在导光元件内传播的光线束的宽度。即，在根据图15B所示的第一实施例的光学装置的示例中，受光入射表面(第八表面50B)的宽度限制的光线束宽度R'0在一些情况下不足。结果，在一些情况下，会发生从第二导光元件50的第七表面50A射出的光线束的损失(在图15B中用阴影表示)。在图15B的右侧示出了该状态。即，由于受光入射表面(第八表面50B)的宽度(厚度)所限制的光线束宽度不足，因此，从第二导光元件50射出的光线束的光密度发生不均衡，进入观察者20的眼睛21的光量根据垂直方向上的视角周期性地变化。结果，在一些情况下出现带状亮度不均匀。
另一方面，在根据图15A所示的第三实施例的光学装置的第二导光元件50中，在光入射表面(第八表面50B)附近形成与第二导光元件50的第七表面50A和第九表面50C(全反射表面50A和50C)平行的半透明镜膜71。通过使撞击到半透明镜膜71的光线在透射方向和反射方向上分支，可以加宽光线束宽度。结果，可以使从第二导光元件50射出的光线束的密度均匀。在图15A的右侧示出了该状态。即，通过使撞击到半透明镜膜71的光线在透射方向和反射方向上分支，可以通过第二导光元件50获得宽的光线束宽度。结果，从第二导光元件50射出的光线束均匀地进入观察者20的眼睛21。因此，可以抑制亮度不均匀。顺便提及，在图15A和图15B中，箭头“A”表示定义在第二导光元件50中引导的光线束的宽度的光线束宽度(从半透明镜膜71射出的光线束的宽度的最大宽度)。
图16示出了在光入射表面(第八表面50B)附近形成有半透明镜膜71的状态的放大图。半透明镜膜71的Y方向上的长度的最大值Lmax优选满足以下值。此处，令R3为在第二导光元件50内以最浅的角度传播的准直光束中与入射表面的一端相对应的光线，令R4为准直光束中与入射表面的另一端相对应的光线，半透明镜膜71的最大长度Lmax优选为使得光线R4至少一次撞击到半透明镜膜71的值。
具体而言，令T为第二导光元件50的厚度(沿Z方向的厚度)，令γ为第二导光元件50的光入射表面(第八表面50B)的倾斜角度(与XZ平面形成的角度)，令θS为第二导光元件50中以最浅角度传播的光线的全反射角，令T·r为从半透明镜膜71到第二导光元件50的第九表面50C的距离，令(1-r)T为从半透明镜膜71到第二导光元件50的第七表面50A的距离，
L1＝(1-r)·T·tan(γ)
L2＝(1-r)·T·tan(θs)
因此，
Lmax＝L1+L2＝(1-r)·T·{tan(γ)+tan·(θs)}
不用说，第二导光元件50的上述布置可以应用于第一导光元件40。
如图1所示，第一导光元件40具有长度与宽度的长宽比彼此接近的截面，并且在两组平行的相对侧表面(第一表面40A和第三表面40C以及第二表面40B和第四表面40D)之间反复全反射的同时引导图像光的准直光束。因此，在受光入射表面(第五表面40E)的面积限制的光线束的粗细(宽度)不足的情况下，在一些情况下由两个全反射方向产生的射出光线束的密度发生不均衡，射出光线束被发射到第二导光元件50。
在根据第三实施例的光学装置中，第一导光元件40设置有：
与第一表面40A和第三表面40C平行设置的半透明镜膜72(见图17C)，或者
与第二表面40B和第四表面40D平行设置的半透明镜膜71(见图17B)，或者
与第一表面40A和第三表面40C平行设置的半透明镜膜72及与第二表面40B和第四表面40D平行设置的半透明镜膜71(见图17A)。
即，在图17A所示的示例中，与第一表面40A和第三表面40C平行设置的半透明镜膜72及与第二表面40B和第四表面40D平行设置的半透明镜膜71交叉设置，从而可以二维地加宽光线束宽度。另外，在图17B所示的示例中，设置与第二表面40B和第四表面40D平行设置的半透明镜膜71，以使与第二表面40B和第四表面40D处的全反射方向相对应的射出光线束的密度均匀。在图17C所示的示例中，设置与第一表面40A和第三表面40C平行设置的半透明镜膜72，以使与第一表面40A和第三表面40C处的全反射方向相对应的射出光线束的密度均匀。
顺便提及，可以采用如下构造，其中，第一导光元件40内与第一表面40A和第三表面40C平行设置的半透明镜膜72设置在距第一表面40A和第三表面40C等距离的区域的一部分中(见图17C)。可替换地，可以采用如下构造，其中，设置于第一导光元件40的、以与第一表面40A和第三表面40C平行的半透明镜膜75设置在第一表面40A上的一部分区域或第三表面40C上的一部分区域中(在所示示例中在第一表面40A上的一部分区域中)(见图19A和图19B)。可替换地，可以采用如下构造，其中，第一导光元件40内的、与第二表面40B和第四表面40D平行设置的半透明镜膜71设置在距第二表面40B和第四表面40D等距离的区域的一部分中(见图17B)。可替换地，可以采用如下构造，其中，设置于第一导光元件40的、以与第二表面40B和第四表面40D平行的半透明镜膜73设置在第二表面40B上的一部分区域或第四表面40D上的一部分区域中(见图18B和图19B)。因此，将半透明镜膜71和72设置到第一导光元件40可以防止在从第一导光元件40的第三表面40C射出的图像中出现不均匀(明暗或阴影)。顺便提及，图18A示出了未设置有半透明镜膜71和72中任何一个的第一导光元件40。
在图18A、图18B、图19A和图19B的右侧示意性地示出了图像中发生不均匀(明暗或阴影)的状态。在图18A所示的示例中，受光入射表面(第五表面40E)的面积限制的光线束的厚度不足。因此，由于两个全反射方向而导致的带状亮度不均匀重叠而彼此相交，从而发生了格子状的亮度不均匀。在图18B所示的示例中，另一方面，形成半透明镜膜73，因此在第二表面40B和第四表面40D处全反射的光线束的宽度被加宽。因此，抑制了与该全反射方向相对应的带状的亮度不均匀，仅发生了与Z方向相对应的亮度不均匀。此外，在图19A所示的示例中，形成半透明镜膜75，因此在第一表面40A和第三表面40C处全反射的光线束的宽度被加宽。因此，抑制了与该全反射方向相对应的带状的亮度不均匀，仅发生了与Y方向相对应的亮度不均匀。另外，在图19B所示的示例中，形成半透明的镜膜73和75，因此在第二表面40B和第四表面40D处全反射的光线束的宽度和在第一表面40A和第三表面40C处全反射的光线束的宽度被加宽。因此，抑制了与这些全反射方向相对应的带状的亮度不均匀，从而实现了没有亮度不均匀的状态。
在半透明镜膜设置在第一表面40A上的一部分区域或第三表面40C上的一部分区域的情况下，或在半透明镜膜设置在第二表面40B上的一部分区域或第四表面40D上的一部分区域的情况下，优选地在半透明镜膜的、不与第一导光元件40接触的表面上设置保护元件74或76。从构成导光元件的材料中适当地选择保护元件74或76即可。
类似地，如前所述，可以采用如下构造，其中第二导光元件50设置有与第七表面50A和第九表面50C平行设置的半透明镜膜。于是，在这种情况下，可以采用如下构造，其中第二导光元件50内与第七表面50A和第九表面50C平行设置的半透明镜膜设置在距第七表面50A和第九表面50C等距离的区域的一部分中，或者可以采用如下构造，其中，设置于第二导光元件50以与第七表面50A和第九表面50C平行的半透明镜膜设置在第七表面50A上的一部分区域或第九表面50C上的一部分区域中。因此，将半透明镜膜设置到第二导光元件50可以防止在从第二导光元件50的第七表面50A射出的图像中出现不均匀(明暗或阴影)。在半透明镜膜设置在第七表面50A上的一部分区域或第九表面50C上的一部分区域中的情况下，优选地在半透明镜膜的不与第二导光元件50接触的表面上设置保护元件。从构成导光元件的材料中适当地选择保护元件即可。
具有图18B、图19A和图19B中所示的半透明镜膜73和75的导光元件非常有用，因为预期半透明镜膜73和75产生足够的效果，同时比具有图17A、图17B和17C中所示的半透明镜膜71和72的导光元件更容易制造得多。
在根据上述实施例的光学装置中，第一导光元件40和第二导光元件50具有形成在导光元件内的作为间断边界的第一半透明层42和第二半透明层52，以至于担心第一导光元件40和第二导光元件50被来自外部的冲击破坏。因此，不管是否设置半透明镜膜，优选地将折射率与导光材料相同并且厚度比导光元件更小的保护元件(盖板)74或76固定在导光元件的一个或多个侧面上。当使导光材料和保护元件的折射率彼此相等时，可以在维持全反射条件的同时提高导光元件的可靠性。
第四实施例
第四实施例是第一至第三实施例的修改。在根据第四实施例的光学装置中，如示出第一导光元件的光入射部分的图20的示意性截面图所示，在第一导光元件40的第五表面40E的附近设置有扩大入射在第五表面40E上的光的截面积的截面积扩大部80。另外，尽管未在图中示出，但是在第二导光元件的第八表面50B的附近设置有扩大入射在第八表面50B上的光的截面积的第二截面积扩大部。因此，设置截面积扩大部80可以减小第一导光元件40的厚度，并且可以减小第二导光元件的Z方向上的厚度。图20示出了当设置有截面积扩大部80时入射在第一导光元件40的第五表面40E上的光线束的宽度W0和第一导光元件40的厚度T0，图20还示出了在没有设置截面积扩大部80的情况下入射在第一导光元件40的第五表面40E上的光线束的宽度W1。顺便提及，图21示出了没有设置截面积扩大部80的光学装置的光入射部的示意性截面图，图21还示出了入射在第一导光元件40的第五表面40E上的光线束的宽度W1和第一导光元件40的厚度T0。
截面积扩大部80例如，可以通过在第一导光元件40的光入射部(第五表面40E)和第二导光元件的光入射部(第八表面50B)附近包含折射率与导光材料的折射率相等的棱镜元件来形成，或者可以通过将第一导光元件40的光入射部(第五表面40E)和第二导光元件的光入射部(第八表面50B)加工成棱镜形状来形成。可替换地，可以采用如下形式，其中，截面积扩大部80的光入射表面的倾斜角的值小于第一导光元件40的第五表面40E的倾斜角的值，以及可以采用如下形式，其中，第二截面积扩大部的光入射表面的倾斜角的值小于第二导光元件50的第八表面50B的倾斜角的值(也见图16)。于是，由此可以使入射光线束宽度比不具有截面积增大部80的光学装置中的更宽，同时保持耦合至第一导光元件40的光线的角度分量。
顺便提及，从图像形成装置60的中央部分发射的光优选地垂直进入截面积扩大部80的光入射表面。另外，当从图像形成装置60的中央部分发射的光在第一导光元件40内被引导并从第一导光元件40的第三表面40C射出时，该光优选地垂直进入第二截面积扩大部的光入射表面。
另外，在图像形成装置60与第一导光元件40之间设置具有开口部的遮光单元81，以防止不期望的光从图像形成装置60射出并进入第一导光元件40。类似地，可以在第一导光元件40和第二导光元件50之间设置具有开口部的遮光单元，以防止从第一导光元件40射出的光中的不期望光进入第二导光元件50。
第五实施例
第五实施例是第一至第四实施例的修改。在包括彼此平行布置的多个第一半透明层42的第一导光元件40中，光线每次穿过第一半透明层42时，根据第一半透明层42的透光率衰减在反复全反射时被引导的光线的强度。为了在第一导光元件40的发光表面(第三表面40C)的整个区域中获得尽可能均匀的射出光线束密度，将第一半透明层42的光反射率设计为增大，以便校正强度衰减即可。该设计对于第一导光元件40和第二导光元件50均有效。
具体地，在根据第五实施例的光学装置中，构成第一偏转装置41的多个第一半透明层42中的位于远离第五表面40E的位置处的第一半透明层42具有比位于靠近第五表面40E的位置处的第一半透明层42更高的光反射率(更低的透光率)。另外，在构成第二偏转单元51的多个第二半透明层52中的位于远离第八表面50B的位置处的第二半透明层52具有比位于靠近第八表面50B的位置处的第二半透明层52更高的光反射率(更低的透光率)。
在光学装置中，当确定第一半透明层42的几何布置时，根据从第一导光元件40的光入射表面(第五表面40E)到第一半透明层42的距离来确定由某一第一半透明层42反射并从第一导光元件40射出的光线中进入观察者20的眼睛21的光线的角度分量。为了提高光学装置的导光效率，适当地设计每个第一半透明层42的光反射率的特性即可。即，对于第一半透明层42，第一半透明层42的法线与第一半透明层42反射的光线之间形成的角度(反射角)与光反射率之间的关系优选根据距第五表面的距离来定义。类似地，对于第二半透明层52，第二半透明层52的法线与第二半透明层52反射的光线之间形成的角度(反射角)与光反射率之间的关系优选根据距第八表面的距离来定义。因此，在增加光反射率的同时有效地提取进入观察者20的眼睛21的角度分量，而通过在相反地减小光反射率的同时透射其他角度分量来减小其他角度分量的损失，使得可以获得高导光效率。该设计对于第一导光元件40和第二导光元件50均有效。
在根据第五实施例的光学装置中，将多个第一半透明层42的倾斜度(α，β)设置为(25度，60度)，并且将输出图像的有效视场区域为设置为78度的对角线角度。另外，将BK7(折射率：1.517)用作第一导光元件40的导光材料。
图22的(A)示出了根据第五实施例的光学装置的第一导光元件中的每个区域中的发光状态。图22的(B)示出了反射角与光反射率之间的关系。图22的(A)示出了通过从光入射表面侧将第一导光元件40划分为多个区域[具体地，三个区域43、44和45(第一区域43，第二区域44和第三区域45)]并设计在各个区域中包括的第一半透明层42具有不同光反射率而获得的结果。当使入射锥体R5入射在第一导光元件40的入射表面40E上时，从第一导光元件40的发光表面(第三表面40C)的整个区域输出射出锥体R6。然而，在从三个区域43、44和45输出的射出锥体R6-43、R6-44和R6-45中，到达观察者20的眼睛21的角度范围分别限制为I1、I2和I3。此时，角度范围I1、I2和I3中的射出光线分别在第一半透明层42处以预定角度反射，并从第一导光元件40射出。具体地，角度范围I1中的射出光线与第一半透明层42的法线形成的反射角为39度至55度，角度范围I2中的射出光线与第一半透明层42的法线形成的反射角为23度至45度，角度范围I3中的射出光线与第一半透明层42的法线形成的反射角为10度至32度。
因此，如图22的(B)中所示，可以基于角度依赖性来设计存在于三个区域43、44和45中的第一半透明层42的光反射率，使得仅反射并提取进入观察者20的眼睛21的角度分量，并且透射其他角度分量。例如，通过对区域43中的第一半透明层42赋予具有角度依赖性的光反射率43'，可以有效地提取与角度范围I1相对应的光线，并且可以通过将与角度范围I2和I3相对应的光线透射到后部区域44和45中来减少损失并获得高导光效率。类似地，例如，通过对区域44中的第一半透明层42赋予具有角度依赖性的光反射率44'，可以有效地提取与角度范围I2相对应的光线，并且可以通过将与角度范围I3相对应的光线透射到后部区域45中来减少损失并获得高导光效率。另外，例如，通过对区域45中的第一半透明层42赋予具有角度依赖性的光反射率45'，可以有效地提取与角度范围I3相对应的光线。
此外，将位于区域43、44和45中的第一半透明层42的光反射率43'、44'和45'设计为具有角度依赖性，并且使得区域越靠后，该区域中的光反射率就越高。这是为了校正在第一导光元件40内传播的信号光线每次穿过第一半透明层42时发生的强度衰减。结果，可以在整个有效视场区域中实现均匀的亮度，并提高导光效率。
上面已经基于优选实施例描述了根据本发明的光学装置、图像显示装置和显示装置。然而，根据本发明的光学装置、图像显示装置和显示装置不限于这些实施例。扩大出射光瞳的方向不限于图1和图13中所示的方向，而是使得第一导光元件和第二导光元件的图像扩大方向彼此正交的方向即可。
光学装置30可以进一步包括屈光度校正透镜。具体地，如图11C的示意性截面图所示，与观察者20的屈光度相对应的屈光度校正透镜22可以设置在从光学装置30到观察者20的眼睛21的光路上。在显示装置中，原则上将来自光学装置的输出图像投影到无穷大。因此，为了以良好的分辨率观察输出图像，优选地将与观察者20的屈光度相对应的屈光度校正透镜22插入从第二导光元件50到观察者20的眼睛21的光路中。另外，如示出从侧面观察根据第一实施例的显示装置的改进例的图11D的示意图中所示，可以在光学装置30的观察者侧或观察者侧的相反侧设置较早描述的调光装置23。
顺便提及，本发明还可以采用如下构造。
[A01]《光学装置》
一种光学装置，包括：
第一导光元件，具有第一表面、第二表面、与第一表面相对的第三表面、与第二表面相对的第四表面、第五表面以及与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面、第八表面、与第七表面相对的第九表面、与第八表面相对的第十表面、第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面入射的光在第一导光元件内全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，入射至与第三表面分开设置的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第一半透明层；
当将第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为α，α的值是超过零度的值；及
当将第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为β，β的值是超过零度的值。
[A02]
根据[A01]的光学装置，其中，
在第一导光元件内设置有与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜，或者，设置有与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜，或者，设置有与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜及与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜。
[A03]
根据[A02]的光学装置，其中，
在第一导光元件的内部与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜设置在位于与第一表面和第三表面等距离的区域的局部。
[A04]
根据[A02]的光学装置，其中，
在第一导光元件内与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜设置在第一表面上的局部区域或第三表面上的局部区域。
[A05]
根据[A02]的光学装置，其中，
在第一导光元件的内部与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜设置在位于与第二表面和第四表面等距离的区域的局部。
[A06]
根据[A02]的光学装置，其中，
在第一导光元件内与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜设置在第二表面上的局部区域或第四表面上的局部区域。
[A07]
根据[A01]至[A06]中任一项的光学装置，其中，
在第二导光元件内设置有与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜。
[A08]
根据[A07]的光学装置，其中，
在第二导光元件的内部与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜设置在位于与第七表面和第九表面等距离的区域的局部。
[A09]
根据[A07]的光学装置，其中，
在第二导光元件内与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜设置在第七表面上的局部区域或第九表面上的局部区域。
[A10]
根据[A01]至[A09]中任一项的光学装置，其中，
在第一导光元件中，在第五表面的附近设置有使入射在第五表面上的光的截面积扩大的截面积扩大部。
[A11]
根据[A10]的光学装置，其中，
在第二导光元件中，在第八表面的附近设置有使入射在第八表面上的光的截面积扩大的截面积扩大部。
[A12]
根据[A10]的光学装置，其中，
第二偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第二半透明层。
[A13]
根据[A10]的光学装置，其中，
截面积扩大部的光入射表面的倾斜角的值小于第一导光元件的第五表面的倾斜角的值。
[A14]
根据[A01]至[A10]中任一项的光学装置，其中，
在第二导光元件中的第八表面附近设置有扩大入射在第八表面上的光的截面积的第二截面积扩大部。
[A15]
根据[A14]的光学装置，其中，
通过在第二导光元件的第九表面附近包含棱镜元件来形成第二截面积扩大部。
[A16]
根据[A14]的光学装置，其中，
第二截面积扩大部包括棱镜状的第二导光元件的第八表面。
[A17]
根据[A14]的光学装置，其中，
第二截面积扩大部的光入射表面的倾斜角的值小于第二导光元件的第八表面的倾斜角的值。
[A18]
根据[A01]至[A17]中任一项的光学装置，其中，
第二偏转装置包括设置为彼此分离并平行的多个第二半透明层。
[A19]
根据[A18]的光学装置，其中，
第一半透明层由电介质多层膜构成，及
第二半透明层由电介质多层膜构成。。
[A20]
根据[A01]至[A19]中任一项的光学装置，其中，
在构成第一偏转装置的多个第一半透明层中，位于远离第五表面的位置的第一半透明层具有比位于第五表面附近位置的第一半透明层更高的光反射率。
[A21]
根据[A01]至[A20]中任一项的光学装置，其中，
对于第一半透明层，根据距第五表面的距离来定义在第一半透明层的法线与第一半透明层反射的光线之间形成的角度(反射角)与光反射率之间的关系。
[A22]
根据[A01]至[A21]中任一项的光学装置，其中，
第二偏转装置包括设置为彼此分离并平行的多个第二半透明层，及
对于第二半透明层，根据距第八表面的距离来定义在第二半透明层的法线与第二半透明层反射的光线之间形成的角度(反射角)与光反射率之间的关系。
[A23]
根据[A01]至[A22]中任一项的光学装置，其中，满足
20(度)≤α≤30(度)且
55(度)≤β≤65(度)。
[A24]
根据[A01]至[A23]中任一项的光学装置，其中，
第三表面和第八表面彼此平行。
[A25]
根据[A01]至[A24]中任一项的光学装置，其中，
在第三表面和第八表面之间存在空气层。
[A26]
根据[A01]至[A24]中任一项的光学装置，其中，
通过使用粘合剂将第三表面和第八表面彼此结合。
[A27]
根据[A01]至[A26]中任一项的光学装置，其中，
第一导光元件的第一表面、第二表面、第三表面或第四表面中的至少一个的整体被保护元件覆盖。
[A28]
根据[A01]至[A27]中任一项的光学装置，其中，
第二导光元件的第七表面或第九表面中的至少一个的整体被保护元件覆盖。
[A29]
根据[A27]或[A28]的光学装置，其中，
保护元件包括构成导光元件的材料。
[A30]
根据[A01]至[A29]中任一项的光学装置，其中，
光通过光学系统进入第一导光元件的第五表面，及
在与光学系统的出射光瞳的位置对应的第一导光元件的第五表面的位置处，出射光瞳直径覆盖第五表面的整个区域。
[A31]
[A01]至[A30]中任一项的光学装置，进一步包括：
屈光度校正透镜。
[B01]<<图像显示装置：第一模式>>
图像形成装置及光学装置，其中，
光学装置包括：
第一导光元件，具有第一表面、第二表面、与第一表面相对的第三表面、与第二表面相对的第四表面、第五表面以及与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面、第八表面、与第七表面相对的第九表面、与第八表面相对的第十表面、第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面入射的光在第一导光元件内全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，入射至与第三表面分开设置的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第一半透明层；
当将第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为α，α的值是超过零度的值；及
当将第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为β，β的值是超过零度的值。
[B02]《图像显示装置：第二模式》
一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；和
根据[A01]至[A31]中任一项的光学装置。
[C01]<<显示装置：第一模式>>
一种显示装置，包括：
穿戴在观察者的头部的框架；及
安装在框架上的图像显示装置；其中，
图像显示装置包括图像形成装置和光学装置；
光学装置包括：
第一导光元件，具有第一表面、第二表面、与第一表面相对的第三表面、与第二表面相对的第四表面、第五表面以及与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面、第八表面、与第七表面相对的第九表面、与第八表面相对的第十表面、第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面入射的光在第一导光元件内全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，入射至与第三表面分开设置的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第一半透明层；
当将第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为α，α的值是超过零度的值；及
当将第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为β，β的值是超过零度的值。
[C02]<<显示装置：第二模式>>
一种显示装置，包括：
穿戴在观察者的头部的框架；及
安装在框架上的图像显示装置；其中；
图像显示装置包括图像形成装置和根据[A01]至[A31]中任一项的光学装置。
[附图标记列表]
10...框架，10'...鼻托，11...前部，11'...前部的中央部分，12...铰链，13...镜腿部，14...端盖部，15...布线，16...耳机单元，16'...耳机单元的布线，17...成像装置(照相机)，18...控制装置(控制电路，控制模块)，19...附接元件，20...观察者，21...观察者的眼睛，22...屈光度校正透镜，23...调光装置，30...光学装置，31...支撑元件，40...第一导光元件，40A...第一导光元件的第一表面，40B...第一导光元件的第二表面，40C...第一导光元件的第三表面，40D...第一导光元件的第四表面，40E...第一导光元件的第五表面，40F...第一导光元件的第六表面，41...第一偏转装置，42...第一半透明层，43、44、45...第一导光元件的区域，50...第二导光元件，50A...第二导光元件的第七表面，50B...第二导光元件的第八表面，50C...第二导光元件的第九表面，50D...第二导光元件的第十表面，50E…第二导光元件的第十一表面，50E...第二导光元件的第十二表面，51...第二偏转装置，52...第二半透明层，60、60A，60B，60C...图像成形装置，61...透镜系统(光学系统，准直发光光学系统，准直光学系统)，62...空间光调制装置，63...光源，64...液晶显示装置(LCD)，65...偏振分束器，66...光源，67...透镜，68...反射镜，69...扫描装置，71、72、73、75...半透明镜膜，74、76...保护元件，80...截面积扩大部，81...遮光单元，R0...进入第一导光元件的第五表面的光线，R'0...受光入射表面的宽度的限制的光线束的宽度，R1...从第一导光元件的第三表面射出的光线，R2...从第二导光元件的第七表面射出的光线，RU1、RU2、RD，RU2、R3、R4...光线，R5...入射锥体，R6、R6-43、R6-44、R6-45...射出锥体

Claims (20)

1.一种光学装置，包括：
第一导光元件，具有第一表面，第二表面，与第一表面相对的第三表面，与第二表面相对的第四表面，第五表面以及与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面，第八表面，与第七表面相对的第九表面，与第八表面相对的第十表面，第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面入射的光在第一导光元件内全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，入射至与第三表面分开设置的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第一半透明层；
当将第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为α，α的值是超过零度的值；及
当将第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为β，β的值是超过零度的值。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
在第一导光元件内设置有与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜，或者，设置有与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜，或者，设置有与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜及与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，
在第一导光元件内的、与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜设置在位于与第一表面和第三表面等距离的区域的局部。
4.根据权利要求2所述的光学装置，其中，
在第一导光元件内的、与第一表面和第三表面平行设置的半透明镜膜设置在第一表面上的局部区域或第三表面上的局部区域。
5.根据权利要求2所述的光学装置，其中，
在第一导光元件内的、与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜设置在位于与第二表面和第四表面等距离的区域的局部。
6.根据权利要求2所述的光学装置，其中，
在第一导光元件内的、以与第二表面和第四表面平行设置的半透明镜膜设置在第二表面的局部区域或第四表面的局部区域。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
在第二导光元件内设置有与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，
在第二导光元件内的、与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜设置在位于与第七表面和第九表面等距离的区域的局部。
9.根据权利要求7所述的光学装置，其中，
在第二导光元件内的、以与第七表面和第九表面平行设置的半透明镜膜设置在第七表面的局部区域或第九表面的局部区域。
10.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
在第一导光元件的第五表面的附近设置有使入射在第五表面上的光的截面积扩大的截面积扩大部。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
在第二导光元件的第八表面的附近设置有使入射在第八表面上的光的截面积扩大的截面积扩大部。
12.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
第二偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第二半透明层。
13.根据权利要求12所述的光学装置,其中，
第一半透明层由电介质多层膜构成，及
第二半透明层由电介质多层膜构成。
14.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
在构成第一偏转装置的多个第一半透明层中，位于远离第五表面的位置的第一半透明层具有比位于第五表面附近位置的第一半透明层更高的光反射率。
15.根据权利要求1所述的光学装置，其中，满足
20(度)≤α≤30(度)且
55(度)≤β≤65(度)。
16.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
第三表面和第八表面彼此平行。
17.一种图像显示装置，包括
图像形成装置及光学装置，其中，
光学装置包括：
第一导光元件，具有第一表面，第二表面，与第一表面相对的第三表面，与第二表面相对的第四表面，第五表面以及与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面，第八表面，与第七表面相对的第九表面，与第八表面相对的第十表面，第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面入射的光在第一导光元件内全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，入射至与第三表面分开设置的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第一半透明层；
当将第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为α，α的值是超过零度的值；及
当将第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为β，β的值是超过零度的值。
18.一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；及
根据权利要求1至16中任一项所述的光学装置。
19.一种显示装置，包括：
穿戴在观察者的头部的框架；及
安装在框架上的图像显示装置；其中，
图像显示装置包括图像形成装置和光学装置；
光学装置包括：
第一导光元件，具有第一表面，第二表面，与第一表面相对的第三表面，与第二表面相对的第四表面，第五表面以及与第五表面相对的第六表面，并且在内部包括第一偏转装置；及
第二导光元件，具有第七表面，第八表面，与第七表面相对的第九表面，与第八表面相对的第十表面，第十一表面以及与第十一表面相对的第十二表面，并且在内部包括第二偏转装置；
第一表面和第三表面彼此平行；
第二表面和第四表面彼此平行并与第一表面和第三表面正交；
第七表面和第九表面在XYZ正交坐标系中与XY平面平行；
从第五表面入射的光在第一导光元件内全反射，被第一偏转装置偏转，从第三表面射出，入射至与第三表面分开设置的第八表面，在第七表面和第九表面之间被全反射，被第二偏转装置偏转，并从第七表面射出；
第一偏转装置包括彼此分开并平行设置的多个第一半透明层；
当将第一半透明层的法线投影到XZ平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为α，α的值是超过零度的值；及
当将第一半透明层的法线投影到XY平面上时第一半透明层的法线与X轴之间形成的角度设为β，β的值是超过零度的值。
20.一种显示装置，包括：
穿戴在观察者的头部的框架；及
安装在框架上的图像显示装置；其中
图像显示装置包括图像形成装置和根据权利要求1至16中任一项所述的光学装置。
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