CN111190288B - 导光板及图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明在具有衍射光栅的导光板(图像显示元件)和使用了该导光板的图像显示装置中，提高用户识别的映像的亮度，提高视觉确认性。导光板具有：入射衍射光栅，其使射入的映像光衍射；射出衍射光栅，其射出映像光；以及中间衍射光栅，其处于从入射衍射光栅至射出衍射光栅的光路中。就该导光板而言，作为入射衍射光栅形成有周期性的直线状的凹凸图案，在规定了经过映像光入射入射衍射光栅的入射点且平行于凹凸图案的周期方向的假想线时，中间衍射光栅在假想线的一方侧具有第一区域，在假想线的另一方侧具有第二区域，映像光的至少一部分在第一区域和第二区域至少各进行一次反射。

Description

导光板及图像显示装置
技术领域
本发明涉及组合了导光板和衍射元件的小型、轻量且能够进行增强现实的显示的导光板及图像显示装置。
背景技术
在增强现实的图像显示装置中，用户不仅能够观看投影的映像，还能同时观看周围。投影出的映像可以与用户感知的现实世界重叠。作为这些显示器的其它用途，可以列举视频游戏及眼镜这样的可穿戴设备等。用户通过佩戴半透明的导光板和投影仪成为一体的眼镜或护目镜状的图像显示装置，能够与现实世界重叠地视觉确认从投影仪供给的图像。
这样的图像显示装置记载于“专利文献1”～“专利文献3”。这些专利文献中，导光板由形成于玻璃制的基板的多个凹凸形状的衍射光栅(称为光栅) 构成。从投影仪射出的光线通过入射用的衍射光栅与导光板结合而全反射，并且在导光板内部传播。光线进一步地通过其它衍射光栅变换成复制的多个光线，并且在导光板内全反射传播，最终从导光板射出。射出的光线的一部分经由用户的瞳孔在视网膜成像，作为与现实世界的图像重叠的增强现实图像而被识别。
在使用这样的凹凸型衍射光栅的导光板中，就从投影仪射出的光线的波向量K而言，根据导光板中折射的斯涅尔定律，波向量为K0。进一步地，通过入射用的衍射光栅，变换成在导光板内部可以全反射传播的波向量K1。通过设于导光板的另一个或多个衍射光栅，受到衍射作用，如K2、K3、…那样，每次反复衍射，波向量都变化。若将最终射出导光板的光线的波向量设为K’，则|K’|＝|K|，投影仪隔着导光板位于与眼睛相反的一侧的情况下，K’＝K。另一方面，在投影仪隔着导光板位于与眼睛相同的一侧的情况下，关于波向量，导光板为与反射镜相同的作用，若将导光板的法向量设为z方向，对波向量的 x、y、z成分进行比较，则能够表达为Kx’＝Kx，Ky’＝Ky，Kz’＝－Kz。
导光板的功能是，将从投影仪射出的光线一边复制成多个，一边引导，使射出的多个光线作为与原来的图像等价的图像信息被用户识别。此时，复制出的光线组具有与从投影仪射出的具有映像信息的光线等价的波向量，并且在空间上扩展。复制出的光线组中的一部分进入瞳孔，与外界的信息一起在视网膜成像，从而被视觉确认，能够对用户提供添加了外界的信息的增强现实的信息。
具有映像信息的光线根据其波长不同而波向量的大小不同。凹凸型衍射光栅具有恒定的波向量，因此，根据入射的光线的波长的不同，衍射出的波向量 K1不同，以不同的角度在导光板内传播。构成导光板的玻璃基板的折射率相对于波长大致恒等，一边全反射一边导光的条件的范围根据入射的光线的波长的不同而不同。因此，为了使用户识别宽视角的图像，需要对每个波长堆放多个不同的导光板。一般而言，导光板的数量认为与R、G、B分别对应的三张，或者它们±1张的两张至四张左右较为合适。
“专利文献1”记载的图像显示装置是用于在二维内扩大输入光的图像显示装置，其具备三个直线状衍射光栅。一个是入射用的衍射光栅，另外两个衍射光栅代表性地以与导光板的表面和背面互相重叠的方式配置，实现复制用和射出用的衍射光栅的功能。
“专利文献2”、“专利文献3”记载的图像显示装置中，兼顾入射衍射光栅、偏转用衍射光栅、以及射出衍射光栅的三个衍射光栅在导光板内领域不重叠地配置。“专利文献2”中，为了提高入射衍射光栅的衍射效率，公开了进行了悬垂的形状的衍射光栅。
“专利文献4”和“专利文献5”公开了以下技术：作为形成于导光板的衍射光栅，使用入射用和射出用这两个反射型体积型全息图。它们中，体积型全息图是在空间内多重地形成有与多个波长对应的衍射光栅，与上述的凹凸型衍射光栅不同，将多个波长的光线以相同的角度衍射。因此，能够利用一张导光板使用户识别RGB图像。另一方面，与在上述的凹凸型衍射光栅中由于将光线在导光板内在二维方向上复制而可实现大的视角相对，它们仅提供一维复制的功能，因此具有视角相对狭小的特征。
“专利文献6”公开了适于这样的图像显示装置的出瞳扩展器的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2017－528739号公报
专利文献2：美国专利公开公报2016/0231566A1
专利文献3：国际公开WO99/52002号公报
专利文献4：日本特开2007－94175号公报
专利文献5：日本特开2013－200467号公报
专利文献6：日本特表2008－523435号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明涉及在具有有利于大视角的实现的凹凸型衍射光栅的导光板(图像显示元件)和使用了该导光板的图像显示装置中，提高用户识别的映像的亮度，从而提高视觉确认性的技术。
在以下的说明中，作为导光板，限定于具有凹凸型衍射光栅的导光板进行说明。另外，为了容易理解，忽略基于眼睛的透镜作用带来的图像的反转和大脑处理投影到视网膜的映像而使之反转并认知的效果，对于从相对于导光板与眼睛配置于同一侧的映像光源投影到前方的屏幕的投影像，讨论像素位置与亮度的关系。实际上视觉确认的图像与之上下反转。
具有映像信息的光线通过设于导光板内的入射衍射光栅以具有能够在导光板内全反射导光的波向量的方式耦合，并在导光板内传播。与射出衍射光栅交叉后的光线的一部分衍射，具有与原来的映像光线等价的波向量，并从导光板射出。向用户提供的映像信息具有与原来的映像信息的像素位置对应的行进角信息、即波向量。为了使一个像素的映像信息从导光板射出并达到用户的瞳孔，需要从由行进角、导光板与用户的瞳孔之间的距离、以及用户的瞳孔的大小决定的导光板内的特定的位置射出。
如上述地，在导光板内，光线被复制而空间上扩展并射出，因此被用户视觉确认的光线在空间上的扩展越大，就越少，视觉确认的亮度就越小。另一方面，根据原来的映像信息的像素位置不同，被用户视觉确认的射出位置发生变化，因此在使用了导光板的图像显示装置中，不可避免地，根据像素位置的不同，亮度发生变化。特别是在位于原来的映像信息的拐角(corner)的像素位置，如后述地，亮度最暗。
这样的导光板的特性包括“专利文献1”～“专利文献3”记载的技术，为现有技术的共通的课题。另外，“专利文献6”记载的出瞳扩展器可以将向入射衍射光栅照射的光束直径(或者也表现为入瞳的大小)扩大并在射出衍射光栅传播。但是，如后述地，由于被中间光栅衍射的光线和原来的光线所成的角不超过90度，因此存在相对于像素位置的拐角，难以实现亮度提高的课题。
本发明的目的在于，在具有衍射光栅的导光板(图像显示元件)和使用了该导光板的图像显示装置中，提高被用户识别的映像的亮度，从而提高视觉确认性。
用于解决课题的方案
本发明的优选的一方案为导光板，其具有：入射衍射光栅，其使射入的映像光衍射；射出衍射光栅，其射出映像光；以及中间衍射光栅，其处于从入射衍射光栅至射出衍射光栅的光路中。就该导光板而言，作为入射衍射光栅形成有周期性的直线状的凹凸图案，在规定了经过映像光入射入射衍射光栅的入射点且平行于凹凸图案的周期方向的假想线时，中间衍射光栅在假想线的一方侧具有第一区域，在假想线的另一方侧具有第二区域，映像光的至少一部分在第一区域和第二区域至少各进行一次反射。
本发明的优选的另一方案为具有：入射衍射光栅，其使射入的映像光衍射；射出衍射光栅，其射出在入射衍射光栅衍射后的映像光；以及光学元件，其设于入射衍射光栅与射出衍射光栅的光路中，且生成与在入射衍射光栅衍射而传播的第一映像光实质上平行的第二映像光。
本发明的优选的一方案为图像处理装置，其具备射出映像光的投影仪和导光板。导光板具有：入射衍射光栅，其使从投影仪射入的映像光衍射；射出衍射光栅，其射出映像光；以及中间衍射光栅，其处于从入射衍射光栅至射出衍射光栅的光路中，作为入射衍射光栅形成有周期性的直线状的凹凸图案，在规定了经过映像光入射入射衍射光栅的入射点且平行于凹凸图案的周期方向的假想线时，中间衍射光栅在假想线的一方侧具有第一区域，在假想线的另一方侧具有第二区域，在第一区域和第二区域，至少进行各一次映像光的至少一部分的反射。
发明的效果
在具有衍射光栅的导光板(图像显示元件)和使用了该导光板的图像显示装置中，能够提高被用户识别的映像的亮度，从而提高视觉确认性。
附图说明
图1是说明射出圆的定义的示意图。
图2是在导光板内部传播的光线的强度分布图。
图3是表示实施例的导光板对光线的引导的示意性平面图。
图4是表示中间衍射光栅的结构的示意图。
图5A是表示比较例的导光板对光线的引导的示意性剖视图。
图5B是表示实施例的导光板对光线的引导的示意性剖视图。
图6A是表示入射衍射光栅或中间衍射光栅的形状参数的定义的剖视图。
图6B是表示射出衍射光栅的形状参数的定义的剖视图。
图7是表示一次衍射效率的测量结果与衍射模型的比较结果的图表。
图8是表示实施例的导光板的平面图。
图9是表示实施例的中间衍射光栅的角度和周期的合适范围的模拟结果图。
图10A是表示在比较例的导光板内部传播的光线与衍射光栅的交叉点的模拟结果图。
图10B是表示在实施例的导光板内部传播的光线与衍射光栅的交叉点的模拟结果图。
图11A是表示透射型的中间衍射光栅的模拟结果的模式剖视图。
图11B是表示反射型的中间衍射光栅的模拟结果的模式剖视图。
图12A是比较例的投影像的计算结果映像图。
图12B是实施例的投影像的计算结果映像图。
图13是表示实施例的中间衍射光栅的形状的二面(平面及截面)图。
图14是表示计算结果的图，该计算结果表示衍射光栅的表面凹凸图案的周期变化与投影像的分辨率的关系。
图15是表示活用了光盘的量产工序的形成实施例的导光板的工序整体的示意图。
图16是表示实施例的入射衍射光栅的作成工序的示意图。
图17是表示实施例的图像显示装置的结构的示意图。
图18是表示实施例的图像显示装置的其它结构的示意图。
图19是表示实施例的导光板的其它形态的平面图。
图中：
103—导光板，104—入射衍射光栅，108—射出衍射光栅，300—中间衍射光栅，101—投影仪。
具体实施方式
以下，使用附图，对实施方式详细地进行说明。但是，本发明并非限定于以下所示的实施方式的记载被解释。本领域技术人员容易理解，在不脱离本发明的思想或宗旨的范围内，可以变更其具体的结构。
在以下说明的发明的结构中，有时对相同部分或者具有同样的功能的部分在不同的附图间共通地使用相同的符号，省略重复的说明。
在同一或具有同样的功能的要素具有多个的情况下，有时对同一符号添加不同的下标来说明。但是，在无需区别多个要素的情况下，有时省略下标来说明。
本说明书等中的“第一”、“第二”、“第三”等表面记载是为了识别构成要素而标注的，并非必须限定数字、顺序、或者其内容。另外，用于结构要素的识别的编号根据上下文而使用，不限于在一段落使用的编号在其它段落一定表示同一结构。另外，用某编号识别的结构要素不妨碍兼具用其它编号识别的结构要素的功能。
在附图等中表示的各结构的位置、大小、形状、范围等有时为了使发明的理解容易而不表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明并非必须限定于公开于附图的位置、大小、形状、范围等。
以下说明的实施例中，在入射衍射光栅与射出衍射光栅之间设置至少由一组以上的衍射光栅构成的中间衍射光栅，使通过入射衍射光栅耦合的光线的一部向用户可以视觉确认的方向移动。
在本实施例中，通过将光轴方向设为z轴，将与导光板的表面(形成有衍射光栅的面)平行的面设为x－y面的坐标系进行说明。另外，若将用户的瞳孔近似成圆形，则与像素位置对应地，被用户视觉确认的导光板内的射出位置也为圆形。以下，将其称为射出圆。
图1是用于说明射出圆的意思的示意图。在此，示出了投影仪(PRJ)101 和用户的瞳孔102相对于导光板103配置于相反侧的情况。使入射衍射光栅 104的波向量朝向y方向，图1用箭头表示x－z面内的光线。x－z面内的光线从入射衍射光栅104经过多个路径到达瞳孔102。图1所示的光线105是这些中的一个路径。
此外，在图1中示出了相对于两只眼睛中的一只眼睛的导光板的结构。通常，图1所示的结构为右眼用和左眼用两个一组，通过从各个投影仪101描绘右眼用和左眼用的图像，从而能够进行立体观察。
在入射衍射光栅104不具有x方向的波向量成分的情况下，从投影仪101 照射的光线105向图中右侧的方向行进。另一方面，为了使用户将该光线作为投影像而识别，需要使与光线105相同角度的光线经过图中表示为视觉确认的光线106的路径到达用户的通孔102。
射出圆107是位于射出衍射光栅108上，且沿视觉确认的光线106的方向对用户的瞳孔102进行平行移动而得到的假想的圆。仅从射出衍射光栅108 上的射出圆107射出的光线被用户作为投影像而识别，除此之外的光线不能被识别。
“专利文献1”的“图3”记载的导光板具备入射衍射光栅、射出衍射光栅，“专利文献3”的“图1”记载的导光板具备入射衍射光栅、偏转用衍射光栅、射出衍射光栅，但导光板的光线的传播、复制、射出功能基本上与图1 的结构共通，因此，对于图1记载的导光板103，参照图1，说明像素位置与亮度的关系。
图2是使用后述的模拟方法计算出的在导光板103内部传播的的光线的强度分布。图中，入射衍射光栅104配置于图的上侧，在其之下配置有相当于用户的眼睛的瞳孔102。根据图1的结构，相对于入射衍射光栅104，光线从位于图2的纸张表侧的投影仪101垂直地射入纸张，光传递至位于纸张的背侧的瞳孔102。
图2(a)表示像素位置为投影的图像的中央的情况。图2(a)中示出为对比度鲜明，为至图像中央的像素的光线的强度分布。图中用圆表示的射出圆表示到达瞳孔102的光线在射出衍射光栅108上最终衍射的区域。
在图2(a)从入射衍射光栅104向y方向的直线状的亮度高的区域表示在入射衍射光栅104衍射且在导光板103内部传播的主要的光线组(以下，称为主光线组)。如在图2(a)看到地，具有根据主光线组的传播，强度逐渐衰减的特性。在主光线组的周边呈扇型扩展的亮度低的光线组是通过射出衍射光栅108衍射而在x－y面内行进方向被偏转的光线组。在该条件下，投影的光线处于z轴方向，因此，如在图2(a)中用圆所示地，判断为在x－y面内射出圆107和瞳102一致。因此，到达瞳孔102被识别为图像的光线是强度强的主光线组的一部分。
图2(b)是位于投影像的右上角的像素位置的情况。图2(b)中示出为对比度鲜明，为至图像右上的光线的强度分布。如在图2(b)看到地，主光线组从入射衍射光栅104向右下方向行进。瞳孔102的位置固定，射出圆107 为朝向瞳孔向右上行进的光线组的射出位置，因此在x－y面内，相对于瞳孔 102向左下移动。该情况下，射出圆107位于与主光线组分离的位置，因此到达瞳孔102被识别为图像的光线组相比图2(a)的情况，亮度降低。以上为使用导光板投影像的情况下的产生亮度不均的理由的主要原因。
图2(b)中，若能够使在入射衍射光栅104耦合并在导光板103内向右下方向传播的主光线组向射出圆107的方向平行移动，则能够提高视觉确认的亮度。因此，在本实施例中，提供以下技术：在入射衍射光栅104与射出衍射光栅108之间配置至少由两种图案的衍射光栅构成的中间衍射光栅，通过中间衍射光栅，使主光线组进行两次反射，由此将主光线组向射出圆方向移动。
从提高亮度的观点出发，优选通过中间衍射光栅衍射的光线留在导光板 103内部，可以通过全反射传播。因此，中间衍射光栅为相对于入射衍射光栅的图案的方向具有倾斜大致20～40度左右的图案方向的衍射光栅，图案的间距相比与入射衍射光栅的间距相比，为1/1.5～1/2.0。由此，能够更正与像素位置相应的主光线组与射出圆的错位，提高视觉确认的映像的亮度。
参照图3，对此时的通过中间衍射光栅衍射后的光线进行说明。图3是从 z方向观察导光板103的x－y平面图，示出了入射衍射光栅104、射出衍射光栅108、中间衍射光栅300。在入射衍射光栅104衍射后的具有特定的像素信息的光线310a在中间衍射光栅300反射衍射而成为光线310b，再反射衍射而成为光线310c。此时，光线310c具有与原来的光线310a相同的波向量、即相同的像素位置的角度信息，射出衍射光栅108内的该像素到达可视觉确认的射出圆107－1，进行衍射而被用户视觉确认。另一个方面，原来的光线310a未到达射出圆107－1，因此不能视觉确认。
同样地，具有其它像素信息的光线320a也在中间衍射光栅300进行两次反射衍射，经过光线320b而成为光线320c，且到达射出圆107－2而被用户视觉确认。
在此，在x－y平面上，将通过入射衍射光栅104的入射点i且垂直于入射衍射光栅104的图案的线设为中心线Cy。典型地，用户的眼睛(瞳孔102) 在中心线Cy上相距导光板103在z方向上分离1～3cm，通过射入从射出衍射光栅108沿z方向射出的光线310c、320c，能够视觉确认。瞳孔102的直径通常为2mm左右。
如后述地，这样通过反射衍射使光线移动的功能能够通过将两种图案设为一组的中间衍射光栅300实现。通过第一次的衍射，来自入射衍射光栅104 的光线310a、320a以跨过中心线Cy向入射衍射光栅104的方向返回的方式反射衍射而成为光线310b、320b。之后，再次向与入射衍射光栅104相反的方向反射衍射，成为进行了移动后光线310c、320c。若调整构成组的两种图案的角度，则能够使在入射衍射光栅104衍射后的光线沿x轴方向平行移动，并从射出衍射光栅108射出。
图3中，具备向x方向右方移动光线的一组中间衍射光栅300A、300C和向x方向左方移动光线的一组中间衍射光栅300B、300D，共计两组。根据情况，也可以仅具备一组，若采用两组，则视觉确认的映像的明亮度左右均等。该情况下，优选右、左的移动量相同，因此中间衍射光栅300的图案优选相对于中心线Cy线对称的构造。另外，为了使光线平行移动，中间衍射光栅300 的图案优选如下构造：沿相对于中心线Cy垂直的方向分割中间衍射光栅300A、 300C，而且相对于分割中间衍射光栅300B、300D的分割线Cx线对称。
中间衍射光栅300配置于从入射衍射光栅104朝向射出衍射光栅108的光路中，但不限于图3的配置。也可以与一部分入射衍射光栅104、射出衍射光栅108重叠，中间衍射光栅300也可以为多个。
在此，为了理解本实施例的结构，对本实施例与“专利文献6”记载的出瞳扩展器的差异进行叙述。“专利文献6(日本特表2008－523435号公报)”的“图8”示出了具备中间衍射光栅、入射结合衍射光栅、以及射出结合衍射光栅的光学基板的平面图。射入入射结合衍射光栅的光线经由中间衍射光栅以空间上的扩展变大的状态向射出结合衍射光栅传播，并从导光板射出。
“专利文献6”的“图10”说明了中间衍射光栅的动作。“图10”中，从左下侧射出的光线在中间衍射光栅内部向图中右侧方向进行+1次衍射，在传播后，进行－1次衍射，由此相对于入射光线宽度，射出光线宽度变大。在此，未图示的入射衍射光栅配置于“图10”中左下侧(入射光线到来的方向)。
在与将形成入射衍射光栅的面的法向量设为z轴的“专利文献6”相同的坐标系中，将在入射衍射光栅衍射且向中间衍射光栅入射的光线的波向量设为 k＝(kx，ky，kz)，将在中间衍射光栅第一次衍射后的光线的波向量设为km＝ (km x，km y，km z)。为了将瞳孔扩大效果最佳化，“专利文献6”公开的技术为，在中间衍射光栅第一次衍射后的光线不朝向入射衍射光栅的方向，而使朝向与入射衍射光栅相反的方向。这公开于“专利文献6”的第0006项及“图10”等。因此，两个波数的内积为k·km＞0。
在以下说明的实施例中，在中间衍射光栅第一次反射衍射后的光线朝向入射衍射光栅的方向。两个波向量k与km的角度为90度以上，优选为120左右。两个波向量的内积为k·km＜0。由此，可以进行光线的平行移动。由此，能够使具有大的视角范围、即角度范围的包含映像信息的光线高效率地到达用户的眼睛。
图4表示在导光板103面上延伸的光的样子，比较性地图示“专利文献6”与本实施例的衍射光的关系。图4中，相对于从下入射的入射光线，在中间衍射光栅进行了一次衍射的衍射光线1为在“专利文献6”的中间衍射光栅衍射的光线，衍射光线2为在本实施例衍射的光线。
若在入射衍射光栅104衍射后的入射光线成为平行于y轴的光线，则将“专利文献6”记载的中间衍射光栅的角度ρ设为在此公开的范围0－70度的大致中央的45度，若如其“权利要求2”记载地，圆锥衍射的角度设为50度至70 度，则入射光线与衍射光线所成的角为15度±10度。
另一方面，为了通过上述的图3的结构实现亮度提高，必须如从光线310a 向光线310b的衍射或者从光线320a向光线320b的衍射那样通过反射衍射进行x方向成分的反转。为了实现该目的，如图4所示地，需要使本实施例的衍射光线2与入射光线所成的角(光线的偏转角、即改变朝向的角度)超过90 度。
根据“专利文献6”的“图4”，判断为，在基于中间衍射光栅的第一次的衍射中，光线的x方向的波数的符号被保持。在将入射衍射光栅的间距设为d 且将中间衍射光栅的间距设为d’时，作为“专利文献6”的公开技术的代表值，如其0031项和“图4”所公开地，在将入射衍射光栅30的图案的方向(y 轴方向)与中间衍射光栅44的图案的方向所成的角设为60度的情况下，根据“专利文献6”(式1)，d’/d＝1。
图5A揭示了“专利文献6”的“图9a”。在入射衍射光栅衍射后的光线具有波数k0，若在中间衍射光栅260进行一次(奇数次)衍射，则具有波数 k1，若进行两次(偶数次)衍射，则具有波数k2，但由于为基于相同的衍射光栅进行的衍射，因此显然k2＝k0。
图5B以同样的表现表示基于本实施例的中间衍射光栅进行的衍射。若将在入射衍射光栅衍射后的光线的波数设为k0，则在中间衍射光栅进行一次衍射的波数k1进行与k0相反朝向的传播。在头戴式支架显示器中，优选向用户提供大的视角的图像信息。从而，k1具有大的角度范围。显然k1在导光板的内部以全反射的方式传播，因此在本实施例中，k1具有与k0相反的符号，而且|k0|≈|k1|，由此，通过中间衍射光栅300进行了一次衍射的光线容易在导光板的内部以全反射的方式传播，即，特征点之一在于提高用户视觉确认的图像的亮度。
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。为了容易理解本实施例，首先对衍射光栅的形状参数的定义进行总结。
图6A及图6B是说明衍射光栅的形状参数的定义的图。图6A是入射衍射光栅或中间衍射光栅的剖视图。如图6A所示，入射衍射光栅及中间衍射光栅由间距(周期)P、高度H以及闪耀角θB定义。
另外，图6B是射出衍射光栅的剖视图。如图6B所示，射出衍射光栅由间距P、高度H以及占空比D定义。在此所示的例是作为入射衍射光栅和射出衍射光栅示出了代表性的形状的例子，本实施例中，除此之外，能够使用正弦波状衍射光栅等。
接下来，叙述用于本实施例的图像显示元件的解析的模拟方法。1962年由G.H.Spencer等提出的光线追踪法[G.H.Spencer and M.B.T.K.Murty, “General Ray－Tracing Procedure”,J.Opt.Soc.Am.52,p.672(1962).]是通过着眼于光的粒子性，追踪路径，从而计算在某点观测的像等的方法，以计算机图形学领域为中心，勤奋地不断改良[16－18]。基于光线追踪法的蒙特卡洛光线追踪法[I.Powell“Ray Tracing throughsysytems containing holographic optical elements”,Appl.Opt.31,pp.2259－2264(1992).]是通过随机处理因衍射、反射等而引起的路径的分离来防止运算量的呈指数增大的方法，适于反复衍射和全反射传播的导光板的模拟。在蒙特卡洛光线追踪法中，能够忠实地再现反射、折射，但必须研发适于衍射的模型。
面向头戴式支架显示器的导光板中，需要对应于遍及可见光全域的波长范围(约400－700nm)和与投影映像的视角40°对应的入射角范围的衍射模型。以下，对在本实施例使用的衍射模型进行说明。
以下的说明中，将光轴设为z方向，导光板的法向量处于z方向，在表面或者背面至少形成有衍射光栅。另外，为了简化说明，相对于导光板，设定投影仪光学系和瞳孔位于相反侧。两者相对于导光板位于相同侧的情况下，只要在以下的波向量的讨论中，对从导光板射出的光线实施基于x－y面镜子的反转操作即可。
将向导光板入射的光线的波向量设为数式1。
【数1】
Figure BDA0002229622220000121
将射出的光线的波向量设为数式2。
【数2】
Figure BDA0002229622220000131
【数3】
ko＝ki···(数式3)
【数4】
k′n＝kn+mn·Kn···(数式4)
在此，mn是衍射次数，Kn是第n次的交叉点处的衍射光栅的波向量。光线在与衍射光栅第N次的交叉衍射而从导光板射出的情况下，根据数式3，以下的数式5的关系成立。
【数5】
Figure BDA0002229622220000132
这表示导光板的基本作用。若将数式4用x、y、z各成分表示，则成为以下的数式6～数式9。
【数6】
k′n，x＝kn，x+mn·Kn，x···(数式6)
【数7】
k′n，y＝kn，y+mn·Kn，y···(数式7)
【数8】
Figure BDA0002229622220000141
【数9】
Figure BDA0002229622220000142
在此，x、y、z的下标表示各波向量的x、y、z成分。在Dn，mn＜0时，波向量为虚数，这表示在指定的条件下不会发生衍射光线。通过βn，mn，如以下的数式10那样定义衍射光线的发生。
【数10】
Figure BDA0002229622220000151
若将衍射效率设为ηn，mn，则根据能量守恒原则，为以下的数式11。
【数11】
Figure BDA0002229622220000152
将衍射光栅的波向量设为Kn，将z轴的伸展面内的入射角设为θn，将考虑到衍射光的有无和入射角依存性的衍射效率η’n，mn如以下的数式12那样模型化。
【数12】
Figure BDA0002229622220000153
在此，ηo mn是第n个交叉点的衍射次数mn的垂直入射的衍射效率。数式 12的右边第二项对应于衍射光线的发生的有无，第三项对应于能量守恒原则，第四项对应于将γ作为常数的入射角依存性。
作为采用了蒙特卡洛光线追迹法的市售软件，具有面向照明光学系的设计的LightTools(商标)等，因为不能处理角度依存性，因此衍射效率成为以下的数式13。
【数13】
Figure BDA0002229622220000161
在此，作为与入射衍射光栅相同的闪耀型的衍射光栅，使用Edmund公司制造的1800根/mm密度的市售元件#47－551，测量波长532nm下的入射角与衍射效率的关系。
图7表示一次衍射效率的测量结果与衍射模型的比较结果。根据用圆点表示的实验结果701，±1次衍射光均发生的入射角度的范围为±3°。如从图7 观察地，+1次衍射光在入射角－3°以上发生，且直至+3°，与－1次衍射光并存，在+3°以上，－1次衍射光消失。图7中的以往的模型702表示数式13的衍射模型，衍射效率不管入射角如何均恒定，因此不能表现在根据入射角而±1次衍射光并存时、－1次光消失时以及因入射角的增大引起的衍射效率的减少。另一方面，在数式12的模型703中，可知，简洁地表达闪耀衍射光栅的衍射效率的角度依存性，整合于实验结果701。
通过安装有上述的模型的蒙特卡洛模拟装置，对适于本实施例的图像元件的参数条件进行叙述。以下，特别是在未指定的情况下，使用接下来的模拟条件。RGB光源的波长为，R＝635nm，G＝550nm，B＝460nm，光源的波长的扩展各色共通为20nm，投影像的纵横比为16：9，像素数为1280×720，向导光板入射的光束的直径为4mm，眼睛的瞳孔的直径为2mm，眼睛与导光板的距离为17mm。这是典型的可应用于图像显示装置的数值。关于导光板，在专利文献1记载了基本结构，根据本实施例，设定为，塑料化的导光板的折射率为1.58，导光板的厚度为1.0mm，入射衍射光栅的大小为5mm×5mm，射出衍射光栅的大小充分大。
另外，在导光板的未形成衍射光栅的面和光线交叉的情况下，将反射率设为R，将导光板的折射率设为n，将入射角设为A，将折射角设为B，用已知的菲涅耳式表达。
【数14】
Figure BDA0002229622220000171
Figure BDA0002229622220000172
Figure BDA0002229622220000173
在此，rp是p偏光的振幅反射率，rs是s偏光的振幅反射率。数式14中，| n sinA|≥1表达了全反射条件。
【实施例1】
图8表示本实施例的图像显示元件的结构。以下，在本发明中，作为决定衍射光栅的波向量的参数，使用表面凹凸图案的周期P与X轴所成的角θ来说明。图中，在导光板103形成有入射衍射光栅104(周期P，角度θi＝0)射出衍射光栅108(周期P，角度θo)以及中间衍射光栅300(周期Pm，角度θm)。入射衍射光栅104由沿x方向伸长的直线状的光栅构成，图案的周期为P。入射衍射光栅104的图案的周期方向为y方向。射出衍射光栅108为图案周期同样为P的直线状光栅，各光栅与x轴所成的角为θo。专利文献1记载的导光板的情况下，射出衍射光栅在与导光板的相对面形成有θo＝+30°、－30°的两个衍射光栅。中间衍射光栅300设于入射衍射光栅104与射出衍射光栅108的光路中，且为了生成与在入射衍射光栅104衍射并传播的第一映像光实质上平行的第二映像光，而使第一映像光选择性地反射衍射。
图8的情况下，中间衍射光栅300由隔着与入射衍射光栅104的图案的周期方向平行的中心线(假想线)Cy(图8中，Cy平行于y轴且垂直于x轴) 对置的两组衍射光栅的组300A、300B和300C、300D构成。中间衍射光栅300 的图案周期为Pm，光栅与x轴所成的角为±θm。因而，在图8的结构中，中间衍射光栅300的图案的角度θm从入射衍射光栅104的图案所成的角度偏离±θm。在这样的结构中，在入射衍射光栅104耦合的具有映像信息的光线作为主光线组向右下方向传播。这表示出与上面的模拟结果相同的条件。射出圆如在上面说明地，位于相比入射衍射光栅向左移动了的位置。
本结构中，主光线组的一部分在中间衍射光栅300的右下部分300D衍射并向左上部分300B传播。在中间衍射光栅的左上部分300B衍射后的光线作为与主光线组并行的多个光线组向射出圆107方向传播。通过以上那样，可以将主光线组向作为视觉确认的光的射出位置的射出圆107方向移动，能够提高视觉确认的映像的亮度。另外，与中心线Cy对称地在部分300A、300C进行同样的衍射。
此外，在图8中，从入射衍射光栅104沿y方向垂直地传播的光线如在图 2所说明地，射出圆附近的强度强，因此在中间衍射光栅300衍射的必要性小。因此，也可以在中心线Cy附近的部分不形成中间衍射光栅的图案。进一步地，如图19所示，也可以在入射衍射光栅与射出衍射光栅之间插入用于使光路弯曲的衍射镜400等，使光路向X轴方向移动。这样，能够灵活地对应用户的眼睛的位置。
图9是表示本实施例的中间衍射光栅300的间距与角度之间的合适条件的模拟结果。在此，示出了入射衍射光栅的间距P＝0.44μm，入射光线的波长为 0.55μm，导光板的折射率为1.58，投影的映像的视角为40度的情况。
为了提高视觉确认的映像的亮度，需要(1)主光线组可以在中间衍射光栅衍射，(2)为了使主光线组向射出圆方向移动，需要进行反射衍射，(3)衍射的光线以从导光板内部不泄漏的方式进行全反射传播。
图中，白底的区域1001满足它们，是满足可以进行反射衍射且全反射传播的条件的范围。满足该范围的中间衍射光栅的标准化间距Pm/P为0.45以上且0.65以下。另外，中间光栅的角度θm处于45°以上且85°以下的范围。在此，中间光栅的角度θm是中间光栅的图案方向与入射光栅的图案方向所成的角，规定为锐角。此外，就中间衍射光栅300的图案方向而言，如图8所示地，在各部分300A、300B、300C、300D朝向不同，但角度θm相同。
投影的映像的视角小于40°的情况下，上述的(3)的条件被缓和，因此可实现的范围进一步扩展。此外，区域1002是可进行反射衍射但不能进行全反射传播的区域，区域1003是可进行衍射但不能进行反射衍射的区域。
图10A及图10B是表示在导光板内部传播的光线与衍射光栅的交叉点的模拟结果。交叉点在图中用白圆点表示。与上述同样地，入射衍射光栅的间距 P＝440nm，入射光线的波长为550nm，导光板的折射率为1.58，投影的映像的视角为40度。像素位置设为投影像的右上角。
图10A是无中间衍射光栅的情况的结果。主光线组与射出圆107的距离大，因此视觉确认的映像的亮度小。图10B是设有中间衍射光栅的情况的结果。可知如下样子：通过中间衍射光栅，主光线组的一部分向射出圆107方向移动，被效率良好地视觉确认。
图11A及图11B是表示适用于本实施例的入射衍射光栅的模拟结果。在此，将光源的波长设为550nm，将衍射光栅的间距设为440nm，将基板的折射率设为1.58来进行计算。从光利用效率的观点出发，对入射衍射光栅要求高的衍射效率。“专利文献2”的“FIG5”表示悬垂的三角形的衍射光栅。这是能够将入射光通过透射衍射而高效率地与导光板耦合的先进的技术。另一方面，制作这样的形状的衍射光栅需要对玻璃基板直接进行蚀刻等，不适于应用注射成型等低廉的冲压技术而低成本地提供。在此，对能够通过注射成型法、2P (PhotoPolymerization)法等制作的具有不悬垂的通常的三角形的形状的闪耀型衍射光栅进行讨论。
图11A是与“专利文献2”相同的透射型的衍射光栅的模拟结果。映像光线1101是从左入射的结构，图的右半部分表示基板。在透射型的衍射光栅中，在基于闪耀面的折射和基于周期构造的衍射相位一致的条件下，可得到最大的衍射效率。如图11A所示，为了实现该情况，需要凹凸图案的高度较大，需要图案的角度为70度至80度，图案的高度除以周期得打的纵横比为10以上。一般，在基于2P法进行的凹凸图案的转印中，若纵横比超过2，则产生剥离性等的问题，量产时的成品率降低。可知，在此示出的透射型的衍射光栅不适于本实施例的入射衍射光栅。
图11B是反射型的衍射光栅的模拟结果。映像光线1101同样为从左入射的结构，图的左半部分表示基板。在反射型的衍射光栅中，在基于闪耀面的反射和基于周期构造的衍射相位一致的条件下，可得到最大的衍射效率。如图所示，可知，相比透射型，可通过低的纵横比的凹凸图案满足该条件。此时的凹凸图案的高度为约250nm，纵横比为约0.57。在上述的试制元件中，可以良好地转印图案高度为374nm的三角形状的凹凸图案。可以说优选对本实施例的导光板使用反射型衍射光栅。
图12A及图12B是表示本实施例的投影像的模拟结果。与上述同样地，入射衍射光栅的间距P＝440nm，入射光线的波长为550nm，导光板的折射率为1.58，投影的映像的视角为40度。图12A是基于按照“专利文献6”的“式 1”的中间衍射光栅进行的结果，图12B是基于本实施例的中间衍射光栅进行的结果。图12A中画面的右端部的亮度降低，但如图12B所示地，通过利用中间衍射光栅将光的行进方向反转的本实施例的效果，能够向用户提供大范围的投影像。
图13是表示本实施例的导光板的平面及截面形状的示意图。图13(b)、图13(c)表示沿图13(a)的S－S’的截面的光的行进方向。图13(b)表示中间衍射光栅300D的作用。图13(b)中，点i表示入射衍射光栅104的中央。如图所示，光从点i朝向中间衍射光栅300D反复进行全反射，同时行进。此时，光线与导光板103的背面(与形成有中间衍射光栅的面相反的面) 交叉的周期p通过光线利用入射衍射光栅衍射而决定。光线的一部分通过中间衍射光栅300D而衍射，如图13(b)中的虚线那样向中间衍射光栅300B的方向行进。
图13(c)是表示接着图13(b)的中间衍射光栅300B的作用的示意图。到达中间衍射光栅300B的光线的一部分通过中间衍射光栅300B衍射，将行进方向再次反转，以图13(c)中的实线那样向中间衍射光栅300D的方向行进。此时，光线与导光板103的背面交叉的周期等于p。这表示光线保持投影像的像素位置。该光线的一部分通过中间衍射光栅300D向射出衍射光栅108 传播。这样的光线的朝向的反转是本实施例的特征。
对构成本实施例的导光板的入射、中间以及射出衍射光栅的表面形状允许的裕度进行叙述。在衍射光栅的表面构成周期性的凹凸图案。若通过AFM(原子力显微镜)、SEM(扫描电子显微镜)等测量衍射光栅，则能够以埃精度将表面的凹凸图案的形状数值化。这些测量装置的视野为几～几十μm左右，能够在该范围内测量凹凸图案的周期。另一方面，衍射现象在入射的光线的扩展中表现为衍射光栅与光线的波数的相互作用。若将向导光板入射的光线的大小 (≈导光板的入射衍射光栅的大小)设为约5mm，将衍射光栅的间距设为500nm，则可知，向导光板入射的光线与约10000周期的凹凸相互作用而衍射。根据各种要因，有时衍射光栅的凹凸图案具有杂乱的形状变动，利用AFM、 SEM观测的凹凸图案的间距能够表示为平均值P及其标准偏差σ。在遍及 10000周期存在杂乱的形状变动时，按照以下的数式15赋予进行与入射的光线的相互作用的衍射光栅的波数Keff。
【数15】
Figure BDA0002229622220000211
将该影响应用于数式3，若将入射的光线的波向量设为ki，将射出的光线的波向量设为ko，则表现为以下的数式16。
【数16】
Figure BDA0002229622220000212
这表示，由于衍射光栅的杂乱的形状变动引起的有效的波数的差，射出的光线的波数变化。
图14表示衍射光栅的间距的标准偏差与投影像的分辨率的关系。图中的横轴是衍射光栅的相对的间距变动(σ/P)，图中的纵轴是根据数式16求解垂直入射的光线射出的情况下的角度偏移并表示为角度分辨率。人的视力用角度分辨率表达。在此，将每一度能够分辨的线数作为单位来表达，60根/度相当于视力1.0。在此，假定视力1.0的用户视觉确认投影像的情况，角度分辨率的最大值为60。根据图可以认为，若衍射光栅的间距变动变大，则射出光线的波数变化，当以投影像的角度分辨率低于相当于视力0.8的情况为目标时，若间距变动的比例超过3％，则画质显著降低。
【实施例2】
图15是表示活用了光盘的量产工序的形成本实施例的导光板的工序整体的示意图，是示意性地表示实施例的图像显示元件的制作工艺的图。首先，如图15(a)所示的步骤1那样，利用EB(electron beam)描画法等准备入射衍射光栅及中间衍射光栅的母型1501和射出衍射光栅的母型1502。射出衍射光栅用的母型1502以适合于注射成型工序的方式转印于Ni印模而使用。
然后，如图15(b)所示的步骤2那样，使用射出衍射光栅用的母型1502，通过注射成型法使用塑料材料制作在表面形成有射出衍射光栅108的基板 1503。作为塑料材料，优选广泛使用的聚碳酸酯，也能够使用PMMA(Poly Methyl Methacrylate)、聚烯烃等其它透明树脂材料。然后，根据需要，利用溅射法等形成用于提高外界的视觉确认性的防反射涂层。
之后，如图15(c)所示的步骤3那样，在通过射出成型所形成的基板1503 的一部分涂布UV(紫外线)固化树脂1504，通过2P法形成入射衍射光栅104 及中间衍射光栅300而成为导光板103。也可以取代2P法而使用将干薄片作为印模的纳米压印法等。根据需要，为了提高入射衍射光栅104的波长分离性能和衍射效率，能够在入射衍射光栅104上通过掩膜溅射法等进行反射涂层。通过以上，能够以塑料制的低价形成计量的导光板103。
最后，如图15(d)的步骤4所示的那样，根据需要，组合与RGB的各色对应的导光板103R、103G、103B并固定于框架1505，从而完成光学设备1506。
一般的UV固化树脂的折射率为1.5左右，与例如聚碳酸酯的折射率1.58 的差小，因此因基底的凹凸图案而产生的相位差小，衍射被控制在1/10以下。但是，在使画质优先的情况下，基于作为基底的射出衍射光栅108的凹凸图案进行衍射优选无限地接近零。该情况下，作为选择的UV固化树脂1504，选择折射率接近基板1503的材料的树脂是有效的。
本实施例中示出了在形成有射出衍射光栅108的区域的一部分重叠地形成入射衍射光栅104及中间衍射光栅300的方法。这样，能够使入射衍射光栅 104及中间衍射光栅300的形成位置任意，例如，具有以下优点：能够根据用户的期望调整导光板103的尺寸、形状。
图16是表示本实施例的导光板103的制作工序的其它实施例。图16(a) 中，预先使用EB描画法等在Si基板1601等上形成凹凸图案，准备形成有入射衍射光栅的图案1602及中间衍射光栅的图案1603的掩膜(母型)1600。
2P法用的印模能够直接使用掩膜1600，但为了防止掩膜的劣化，也能够使用树脂印模。在直接使用掩膜的情况和使用树脂印模的情况下，形成于导光板上的凹凸反转，因此需要注意留意该情况而预先制作掩膜。
以下叙述树脂印模的制作方法。向掩膜1600上滴下考虑粘度、图案的转印性等而选择的UV固化树脂1604，然后使用透明基板1605，依次进行加压 (图16(a))，UV曝光(图16(b))，剥离(图16(c))，从而准备树脂印模 1606。作为在此使用的UV曝光装置，能够选择传送带式露光装置等。为了提高树脂印模1606的剥离性，也可以预先在掩膜1600的表面作为金属剥离层形成30nm左右的Ti膜等。
在通过注射成型制作的透明基板1503形成射出衍射光栅108，但在本实施例中，将入射衍射光栅104及中间衍射光栅300的形成区域预先形成平坦面。作为与平坦面不同的方法，为了提高入射衍射光栅104的UV树脂与基板材料密合性，例如，以240nm左右以下形成相对于可见光波长不衍射的条件的窄间距的凹凸图案的方法也有效。另外，对透明基板1503的表面预先实施在光盘广泛使用的由SiO2纳米颗粒等带来的防水、防油、防损伤处理也是容易的。
图16(d)表示在预先通过注射成型法形成有射出衍射光栅108的透明基板1503上形成入射及中间衍射光栅的工序。在形成有射出衍射光栅108的透明基板1503的对光路不产生影响的部位预先形成有形成入射及中间衍射光栅的位置的对位用的标记1607。在滴下UV固化树脂1608后，以标记1607为基准调整树脂印模1606的位置，依次进行加压(图16(d))，UV曝光(图 16(e))、剥离(图16(f))，形成入射衍射光栅104及中间衍射光栅300，完成导光板103。
在此使用的UV固化树脂1608能够在剥离性、转印性的基础上还考虑折射率而使用与图16(a)的UV固化树脂1604不同的UV固化树脂。上述的反射涂层通过掩膜溅射法等形成于从后形成的入射衍射光栅104的凹凸图案上，因此，此时的溅射用的掩膜的定位也可利用上述标记1607。
在本实施例中，能够预先决定入射及中间衍射光栅的形成位置。由此，具有以下优点：能够防止因透明基板1503与UV树脂的折射率的差异而引起的多余的衍射，并且能够正确地决定反射涂层等的形成位置。
【实施例3】
图17是表示本实施例的图像显示装置1700的结构的示意图。从投影仪 101射出的具有图像信息的光通过B、G、R的各导光板103R、103G、103B 的作用到达用户的瞳孔102，实现增强现实。B、G、R的各导光板103R、103G、 103B为图15所示的光学设备1506，形成的衍射光栅的间距和深度根据各色被最佳化。
图中，图像显示装置1700由光学设备1506、作为图像形成单元的投影仪 101以及未图示的显示图像控制部构成。在此，光学设备1506对应于彩色显示而将R、G、B各自的导光板103R、103G、103B一体化。另外，作为图像形成单元，例如，能够使用由反射型或透射型的空间光调制器、光源以及透镜构成的图像形成装置、基于有机及误记EL(ElectroLuminescence)元件阵列和透镜的图像形成装置、基于发光二极管阵列和透镜的图像形成装置、组合了光源、半导体MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)镜阵列以及透镜的图像形成装置等、广泛公知的图像形成装置。
另外，也能够使用使LED(Light Emitting Diode)、激光源以及光纤的末端通过MEMS技术、PZT(钛、锆酸铅)等进行共振运动的装置。其中，最一般的装置是由反射型或透射型的空间光调制器、光源以及透镜构成的图像形成装置。在此，作为空间光调制装置，能够列举LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 等透射型或反射型的液晶显示装置、数字微镜器件(DMD)，作为光源，能够对白色光源进行RGB分离而使用，也能够使用各色对应的LED、激光。
进一步地，反射型空间光调制装置能够由偏振射束分裂器构成，该偏振射束分裂器将来自液晶显示装置及光源的光的一部分反射而引导至液晶显示装置，且使被液晶显示装置反射的光的一部分通过，引导至使用了透镜的准直光学系。作为构成光源的发光元件，能够列举红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件、白色发光元件。像素的数只要基于图像显示装置要求的规格决定即可，作为像素的数的具体的值，除了上述示出的1280×720外，能够示例 320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080。
在本实施例的图像显示装置中，以从投影仪101射出的包含映像信息的光线向导光板103B、103G、103R的各入射衍射光栅照射的方式进行定位、一体化，而形成光学设备1506。
另外，未图示的显示图像控制部控制投影仪101的动作，实现向用户的瞳孔102适当地提供图像信息的功能。本实施例中示出了向用户提供图像信息的情况，但本实施例的图像显示装置除此之外，也可以具备用于取得用户、外界的信息的触控传感器、温度传感器、加速度传感器等各种传感器、用于计测用户的眼睛的运动的眼睛跟踪功能。
图18是表示本实施例的图像显示装置的构成其他的模式图。与图17比较，投影仪101和用户的瞳孔102的位置的关系相对于导光板103相反。通过对投影的映像进行反转处理，能够对应其影响。其以外的动作与上述同样。
根据以上说明的实施例，在具有凹凸型衍射光栅的导光板(图像显示元件) 中，通过在入射衍射光栅与射出衍射光栅之间设置中间衍射光栅，使具有映像信息的光线在中间衍射光栅内进行两次以上衍射，由此可以提高视觉确认的映像的亮度，降低亮度不均。

Claims (13)

1.一种导光板，其特征在于，具有：
入射衍射光栅，其使射入的映像光衍射；
射出衍射光栅，其射出上述映像光；以及
中间衍射光栅，其处于从上述入射衍射光栅至上述射出衍射光栅的光路中，
作为上述入射衍射光栅形成有周期性的直线状的凹凸图案，
在规定了经过上述映像光入射上述入射衍射光栅的入射点且平行于上述凹凸图案的周期方向的假想线时，
上述中间衍射光栅在上述假想线的一方侧具有第一区域，在上述假想线的另一方侧具有第二区域，上述映像光的至少一部分在上述第一区域和上述第二区域至少进行两次反射，
上述中间衍射光栅在上述第一区域向接近上述入射衍射光栅的方向进行反射并射入上述第二区域，光的行进方向反转，且在上述第二区域向接近上述射出衍射光栅的方向进行反射，光的行进方向再次反转，将主光线向射出圆方向平行移动。
2.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
在从上述中间衍射光栅至上述射出衍射光栅的光路中配置有将上述映像光的至少一部分向上述射出衍射光栅反射的衍射镜。
3.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
上述中间衍射光栅使射入到上述第一区域的上述映像光沿垂直于上述假想线的方向平行移动并从上述第二区域射出。
4.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
上述中间衍射光栅的图案周期Pm比上述入射衍射光栅的图案周期P小。
5.根据权利要求4所述的导光板，其特征在于，
上述中间衍射光栅的标准化间距Pm/P处于0.45以上且0.65以下的范围。
6.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
上述中间衍射光栅的图案的方向与上述入射衍射光栅的图案的方向所成的锐角θm处于45°以上且85°以下的范围。
7.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
上述中间衍射光栅为相对于上述假想线线对称的结构。
8.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
在基板上由凹凸形成上述射出衍射光栅，在形成上述射出衍射光栅的基础上，由紫外线固化树脂形成上述入射衍射光栅及上述中间衍射光栅。
9.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
在基板上由凹凸形成上述射出衍射光栅，在未形成上述射出衍射光栅的部分，由紫外线固化树脂形成上述入射衍射光栅及上述中间衍射光栅。
10.一种导光板，其特征在于，具有：
入射衍射光栅，其使射入的映像光衍射；
射出衍射光栅，其射出在上述入射衍射光栅衍射后的映像光；以及
光学元件，其设于上述入射衍射光栅与上述射出衍射光栅的光路中，且至少进行两次反射生成与在上述入射衍射光栅衍射而传播的第一映像光实质上平行的第二映像光，第一次反射后光的行进方向反转，第二次反射后光的行进方向再次反转，将主光线向射出圆方向平行移动，生成上述第二映像光的单元是使上述第一映像光选择性反射衍射的中间衍射光栅，上述中间衍射光栅具备：进行将上述第一映像光的方向偏转90度以上的第一反射的第一区域；以及进行将通过上述第一反射偏转后的光偏转90度以上的第二反射的第二区域。
11.根据权利要求10所述的导光板，其特征在于，
上述中间衍射光栅的图案的周期为上述入射衍射光栅的图案的周期的0.45倍以上且0.65倍以下的范围，
上述中间衍射光栅的图案的方向与上述入射衍射光栅的图案的方向以45°以上且85°以下的范围倾斜。
12.一种图像显示装置，其特征在于，具备：
权利要求10记载的导光板；以及
对映像进行投影的投影仪，
配置成上述投影仪的射出光照射上述射出衍射光栅。
13.一种图像显示装置，其特征在于，
具备射出映像光的投影仪、和导光板，
上述导光板具有：
入射衍射光栅，其使从上述投影仪射入的映像光衍射；
射出衍射光栅，其射出上述映像光；以及
中间衍射光栅，其处于从上述入射衍射光栅至上述射出衍射光栅的光路中，
作为上述入射衍射光栅形成有周期性的直线状的凹凸图案，
在规定了经过上述映像光入射上述入射衍射光栅的入射点且平行于上述凹凸图案的周期方向的假想线时，
上述中间衍射光栅在上述假想线的一方侧具有第一区域，在上述假想线的另一方侧具有第二区域，在上述第一区域和上述第二区域，至少进行两次上述映像光的至少一部分的反射，
上述中间衍射光栅在上述第一区域向接近上述入射衍射光栅的方向进行反射并射入上述第二区域，光的行进方向反转，且在上述第二区域向接近上述射出衍射光栅的方向进行反射，光的行进方向再次反转，将主光线向射出圆方向平行移动。
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