CN111819488B - 光学装置、图像显示装置和显示设备 - Google Patents

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Abstract

该光学装置具备第一A偏振部件31、第一B偏振部件32、第一C偏振部件33、第二A偏振部件41、第二B偏振部件42和第二C偏振部件43，其中：从图像形成装置出射的光的一部分进入第一A偏振部件31，并从其通过第一B偏振部件32和第一C偏振部件33向观察者的瞳孔出射，而从图像形成装置出射的光的至少剩余部分进入第二A偏振部件41，并从其通过第二B偏振部件42和第二C偏振部件43向观察者的瞳孔出射；并使通过将由第一A偏振部件31偏振的光的传播方向正投影到光导板而确定的方向与通过将由第二A偏振部件41偏振的光的传播方向正投影到光导板而确定的方向相反。

Description

光学装置、图像显示装置和显示设备
技术领域
本公开涉及光学装置、包括这样的光学装置的图像显示装置、以及包括这样的图像显示装置的显示设备，更具体地，涉及用于头戴式显示器(HMD)的显示设备。
背景技术
近年来，在布置于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)的开发得到了大力推进。研究了各种类型的头戴式显示器，但是对于头戴式显示器来说，迫切需要显示图像的更宽视角，以提供更真实的图像。为了满足这样的需求，例如从美国专利申请公开No.2006/0132914A1或美国专利申请公开No.2014/0330966A1，公知一种包括布置在构成光学装置的导光板上的三个偏转装置的头戴式显示器。
此外，日本专利申请公开No.2009-133998公开了一种图像显示装置，包括
(A)包括排列成二维矩阵的多个像素的图像形成装置，
(B)用于将从图像形成装置的像素出射的光准直为平行光的准直光学系统，和
(C)光学装置，其中入射、引导和出射在准直光学系统中被准直为具有不同行进取向的多个平行光束的光，所述光学装置包括
(a)导光板，入射光通过全反射在所述导光板中传播，并且入射光从所述导光板出射，
(b)第一衍射光栅部件，所述第一衍射光栅部件布置在所述导光板上，并且包括反射型体全息衍射光栅，所述反射型体全息衍射光栅衍射并反射入射到所述导光板的光，以致入射到导光板的光在导光板内被全反射，和
(c)第二衍射光栅部件，所述第二衍射光栅部件布置在所述导光板上，并包括反射型体全息衍射光栅，所述反射型体全息衍射光栅衍射并反射通过全反射在导光板内部传播的光，并从导光板出射光，其中
假定第一衍射光栅部件的中心为原点，通过原点的第一衍射光栅部件的法线或者以朝向准直光学系统侧的方向为正方向的法线为Xi轴，通过原点，正交于Xi轴，并且以朝向第二衍射光栅部件侧的方向为正方向的导光板的轴线为Yi轴，
从在图像形成装置的中心处的像素出射，并且通过准直光学系统的中心的中心光与XiYi平面在光学上平行，并且与XiZi平面相交成锐角。
引文列表
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开No.2006/0132914A1
专利文献2：美国专利申请公开No.2014/0330966A1
专利文献3：日本专利申请公开No.2009-133998
发明内容
技术问题
然而，在上述两个美国专利公开中所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出射的光垂直入射到偏转装置上，但是头戴式显示器不能应付进一步加宽显示图像的视角的要求。此外，在日本专利申请公开No.2009-133998中所公开的图像显示装置只包括第一衍射光栅部件和第二衍射光栅部件这两个衍射光栅部件，从而导光板中的显示图像区域只能在从第一衍射光栅传播到第二衍射光栅的一个方向上被扩大。然而，设置三个衍射光栅部件可以在两个方向上扩大导光板中的显示图像区域。
于是，本公开的一个目的是提供一种具有能够进一步加宽显示图像的视角的构成或结构的光学装置，包括这样的光学装置的图像显示装置，以及包括这样的图像显示装置的显示设备。
问题的解决方案
按照本公开的实现上述目的的光学装置是从图像形成装置出射的光入射到，光在其中被引导，并且光从其出射的光学装置，所述光学装置包括：导光板；第一偏转单元；和第二偏转单元。第一偏转单元包括第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件。第二偏转单元包括第二A偏转部件、第二B偏转部件和第二C偏转部件。从图像形成装置出射的光的一部分进入第一A偏转部件。入射到第一A偏转部件的光被第一A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一B偏转部件，被第一B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一C偏转部件，被第一C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射。从图像形成装置出射的光的至少剩余部分进入第二A偏转部件。入射到第二A偏转部件的光被第二A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二B偏转部件，被第二B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二C偏转部件，被第二C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射。假定当被第一A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第一方向，并且当被第二A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第二方向，第一方向与第二方向相反。注意，术语“全反射”意味全内反射或者导光板内部的全反射。
按照本公开的实现上述目的的图像显示装置是一种包括：图像形成装置；和光学装置的图像显示装置，从所述图像形成装置出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括按照本公开的光学装置。
按照本公开的实现上述目的的显示设备是包括：配戴在观察者的头部的框架；和附接到所述框架的图像显示装置的显示设备，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出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括按照本公开的光学装置。
附图说明
图1A和1B分别是第一实施例的光学装置的示意透视图，和从上方看的第一实施例的光学装置的示意图。
图2是构成第一实施例的光学装置的第一偏转单元的示意透视图。
图3是构成第一实施例的光学装置的第二偏转单元的示意透视图。
图4A和4B分别是第一实施例的光学装置的示意剖视图，和从侧面看的第一实施例的光学装置的示意图。
图5A和5B分别是从上方看的第二实施例和第三实施例的光学装置的示意图。
图6是从上方看的第一实施例的显示设备的示意图。
图7是从正面看的第一实施例的显示设备的示意图。
图8A、8B和8C是第一实施例的显示设备中的图像形成装置的概念图。
图9A和9B是第一实施例的光学装置中的图像形成装置、导光板、第一A偏转部件、第二B偏转部件等的布置的概念图。
图10A和10B是第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件的波矢量等的概念图。
图11A和11B是第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件的其他波矢量等的概念图。
图12A、12B以及12C是第一实施例的光学装置的变形例的概念图。
图13A、13B、13C、13D、13E、13F、13G和13H是第一实施例的光学装置的其他变形例的概念图。
图14是表示以间距d为参数，入射到第一A偏转部件或第二A偏转部件的光的入射角与第一A偏转部件或第二A偏转部件的衍射角之间的关系的曲线图。
具体实施方式
下面参考附图，基于各个实施例说明本公开。本公开不限于这些实施例，实施例中的各个数值和材料是示例性的。注意，将按照以下顺序进行说明。
1.本公开的光学装置、图像显示装置和显示设备的概述
2.第一实施例(本公开的光学装置、图像显示装置和显示设备)
3.第二实施例(第一实施例的变形例)
4.第三实施例(第一和第二实施例的变形例)
5.其他
<本公开的光学装置、图像显示装置和显示设备的概述>
在本公开的光学装置等中，假定导光板上的从图像形成装置的图像形成区域的中心点出射的光与导光板碰撞的点为原点，通过原点并指向第一方向的导光板的轴线为X轴，通过原点的导光板的厚度方向的轴为Z轴，与X轴和Z轴正交的轴为Y轴，第一偏转单元和第二偏转单元可对称于YZ平面布置。
在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，第一A偏转部件和第二A偏转部件均可包括体全息衍射光栅，并且满足
kX 1-A+kX 2-A＝0,
kY 1-A＝kY 2-A，和
kZ 1-A＝kZ 2-A，
其中第一A偏转部件的波矢量为kv 1-A，kv 1-A的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-A、kY 1-A和kZ 1-A，第二A偏转部件的波矢量为kv 2-A，kv 2-A的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-A、kY 2-A和kZ 2-A。这种情况下，第一C偏转部件和第二C偏转部件均可包括体全息衍射光栅，并且满足
kX 1-C+kX 2-C＝0,
kY 1-C＝kY 2-C，和
kZ 1-C＝kZ 2-C，
其中第一C偏转部件的波矢量为kv 1-C，kv 1-C的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-C、kY 1-C和kZ 1-C，第二C偏转部件的波矢量为kv 2-C，kv 2-C的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-C、kY 2-C和kZ 2-C。此外，第一B偏转部件和第二B偏转部件均可包括体全息衍射光栅，并且满足
kX 1-B+kX 2-B＝0,
kY 1-B＝kY 2-B，和
kZ 1-B＝kZ 2-C，
其中第一B偏转部件的波矢量为kv 1-B，kv 1-B的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-B、kY 1-B和kZ 1-B，第二B偏转部件的波矢量为kv 2-B，kv 2-B的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-B、kY 2-B和kZ 2-B。此外，可以满足
kX 1-A+kX 1-B＝0,
kY 1-B+kY 1-C＝0,
kX 2-A+kX 2-B＝0，和
kY 2-B+kY 2-C＝0。
此外，可以满足
kv 1-A+kv 1-B+kv 1-C＝0，和
kv 2-A+kv 2-B+kv 2-C＝0。
从而，入射到第一A偏转部件和第二A偏转部件的光与从第一C偏转部件和第二C偏转部件出射的光存在共轭关系。注意，如上所述，通过附加上标字母“v”表示矢量，如上所述，通过附加上标字母“X”、“Y”和“Z”表示矢量的X、Y和Z分量。
取决于第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件，第二A偏转部件、第二B偏转部件和第二C偏转部件相对于导光板的布置，体全息衍射光栅可以是透射型或者反射型。体全息衍射光栅意味只衍射+1阶衍射光的全息衍射光栅。
此外，在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，从图像形成装置出射并进入第一A偏转部件的光的一部分可进入第二A偏转部件。即，第一A偏转部件和第二A偏转部件可以部分交叠。具体地，第一A偏转部件具有在X方向的端部，第二A偏转部件具有在-X方向的端部。第一A偏转部件在X方向的端部和第二A偏转部件在-X方向的端部可以彼此交叠。
此外，在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，第一A偏转部件和第一B偏转部件可以层叠，并且第二A偏转部件和第二B偏转部件可以层叠。或者，第一B偏转部件和第一C偏转部件可以层叠，并且第二B偏转部件和第二C偏转部件可以层叠。第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件可以层叠，并且第二A偏转部件、第二B偏转部件和第二C偏转部件可以层叠。
此外，在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件均可包括体全息衍射光栅，并且满足
η1-B/η1-A<1，和
η1-C/η1-A<1
其中对于从图像形成装置出射的光，第一A偏转部件的平均衍射效率为η1-A，第一B偏转部件的平均衍射效率为η1-B，而第一C偏转部件的平均衍射效率为η1-C，且
第二A偏转部件、第二B偏转部件和第二C偏转部件均可包括体全息衍射光栅，并且满足
η2-B/η2-A<1，和
η2-C/η2-A<1
其中对于从图像形成装置出射的光，第二A偏转部件的平均衍射效率为η2-A，第二B偏转部件的平均衍射效率为η2-B，而第二C偏转部件的平均衍射效率为η2-C。
有利地满足η1-B≤0.2、η2-B≤0.2、η1-C≤0.2和η2-C≤0.2。这里，衍射效率η用I1/I0表示，其中入射到体全息衍射光栅的光的光强为I0，由体全息衍射光栅衍射的+1阶衍射光的光强为I1。衍射效率例如可以通过体全息衍射光栅的厚度来控制。即，如果减小体全息衍射光栅的厚度，那么衍射效率η的值降低。此外，随着体全息衍射光栅中的折射率调制度Δn变大，衍射效率η的值变低。例如，假定在衍射效率η＝0.2的情况下，当入射到体全息衍射光栅的光(光量＝1.0)从体全息衍射光栅出射时，LI1表示从距离体全息衍射光栅的光入射部分最近的体全息衍射光栅的区域出射的光的光量，LI2表示从体全息衍射光栅的下一个最近区域出射的光的光量，LI3表示从体全息衍射光栅的第三最近区域出射的光的光量，而LI4表示从体全息衍射光栅的第四最近区域出射的光的光量，
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，和
LI4＝(1.0-0.2-0.16-0.128)×0.2＝0.102.
在以下的说明中，为了简化说明，在一些情况下，将第一A偏转部件和第二A偏转部件总称为第一A偏转部件等，将第一B偏转部件和第二B偏转部件总称为第一B偏转部件等，将第一C偏转部件和第二C偏转部件总称为第一C偏转部件等。
在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，从图像形成装置的图像形成区域的中心点出射的光也可被配置成垂直于第一A偏转部件和第二A偏转部件入射，或者也可以被配置成以非垂直的某个角度入射。
此外，被第一A偏转部件偏转的所有光可入射到第一B偏转部件，被第一B偏转部件偏转的所有光可入射到第一C偏转部件，被第二A偏转部件偏转的所有光可入射到第二B偏转部件，被第二B偏转部件偏转的所有光可入射到第二C偏转部件。然而实际上，被第一A偏转部件和第二A偏转部件偏转的光的一部分，以及被第一B偏转部件和第二B偏转部件偏转的光的一部分可能在导光板中损失。
此外，在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，构成导光板的材料的折射率可以为1.5或更大，有利地为1.6或更大。构成体全息衍射光栅的材料的折射率可以为1.5或更大，有利地为1.6或更大。
在包含上述有利形式的本公开的光学装置等中，光学装置为半透射型(透明型)光学装置。具体地，至少面向观察者的眼球(瞳孔)的光学装置的部分被设定成半透射的(透明的)，从而通过光学装置的该部分(具体地，至少第一C偏转部件和第二C偏转部件)可以看到外部。这里，术语“半透射”并不意味透射或反射1/2(50％)的入射光，而是在透射入射光的一部分，并反射剩余部分的意义上使用的。
本公开的图像显示装置或显示设备允许单色(例如绿色)的图像显示。另一方面，如果进行彩色的图像显示，那么通过层叠均由体全息衍射光栅形成的P层衍射光栅层，以便对应于具有不同的P种(例如，P＝3，红色、绿色和蓝色3种)波段(或波长)的P种光的衍射，可以构成第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等。在每个光栅层中形成与一种波段(或波长)对应的干涉条纹。或者，为了对应于具有不同的P种波段(或波长)的P种光的衍射，可以在均包括单个衍射光栅层的第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等中形成P种干涉条纹。或者，例如，也可以采用以下结构：在第一导光板上布置第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，所述第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等分别包括由衍射并反射具有红色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层；在第二导光板上布置第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，所述第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等分别包括由衍射具有绿色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层；在第三导光板上布置第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，所述第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等分别包括由衍射具有蓝色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层；并且第一导光板、第二导光板和第三导光板在这些导光板之间存在间隙的情况下层叠。或者，例如，也可以采用以下结构：在第一导光板的一个表面上布置第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，所述第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等分别包括由衍射并反射具有红色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层；在第一导光板的另一个表面上布置第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，所述第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等分别包括由衍射具有绿色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层；在第二导光板上布置第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，所述第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等分别包括由衍射具有蓝色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层；并且第一导光板和第二导光板在这些导光板之间存在间隙的情况下层叠。或者，例如，可以采用以下结构：在导光板的一个表面上层叠分别包括由衍射并反射具有红色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层的第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，和分别包括由衍射具有绿色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层的第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等；在导光板的另一个表面上布置分别包括由衍射具有蓝色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的衍射光栅层的第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等。或者，也可以在单个衍射光栅层中形成P种体全息衍射光栅。如果采用这些构成，那么当具有各波段(或波长)的光在第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等中被衍射时，可以实现衍射效率的增大，衍射接受角的增大以及衍射角的优化。有利地布置保护部件，以致体全息衍射光栅不会与大气直接接触。
组成体全息衍射光栅的材料的例子包括光聚合物材料。本公开的光学装置等中的体全息衍射光栅的组成材料和基本结构可以与常规的体全息衍射光栅的组成材料和结构相同。在体全息衍射光栅中，从其内部在表面上形成干涉条纹，形成此类干涉条纹本身的方法可以与常规的形成方法相同。具体地，例如，在一侧从第一预定方向用物体光照射组成体全息衍射光栅的材料(例如，光聚合物材料)，同时，在另一侧从第二预定方向用参照光照射组成体全息衍射光栅的材料，在组成体全息衍射光栅的材料内部，可记录由物体光和参照光形成的干涉条纹。适当选择第一预定方向、第二预定方向、以及物体光和参照光的波长，从而可以获得在体全息衍射光栅的表面处的干涉条纹的期望间距，和干涉条纹的期望倾斜角(倾角)。干涉条纹的倾斜角意味干涉条纹与体全息衍射光栅的表面形成的角度。在均由体全息衍射光栅形成的P层衍射光栅层的层叠结构的情况下，通过在分别制造P层衍射光栅层之后，使用例如紫外光可固化胶粘剂层叠(粘合)P层衍射光栅层，可以进行衍射光栅层的这种层叠。此外，通过在利用具有粘性的光聚合物材料制造单个衍射光栅层之后，在其上依次粘合具有粘性的光聚合物材料，以制造衍射光栅层，可以制造P层的衍射光栅层。
干涉条纹的倾斜角(倾角)在体全息衍射光栅中可以是不变的，或者可以随入射到体全息衍射光栅的图像的视角的值而变化。如果干涉条纹的倾斜角随入射图像的视角的值而变化，那么倾斜角可以连续地或者阶梯式地变化。
可以使用任意光聚合物材料，只要组成体全息衍射光栅的材料(组成被照射物体光和参照光之前的感光材料前驱体层的光聚合物材料)至少包括光聚合性化合物、粘合剂树脂和光聚合引发剂即可。作为光聚合性化合物，例如，可以使用诸如丙烯酸单体、甲基丙烯酸单体，苯乙烯基单体、丁二烯基单体、乙烯基单体和环氧基单体之类已知的光聚合性化合物。这些化合物可以是共聚物，或者可以是单官能或多官能的。此外，这些单体可以单独地或者组合地使用。可以使用任何已知的粘合剂树脂作为上述粘合剂树脂。具体地，可以使用乙酸纤维素基树脂、丙烯酸基树脂、丙烯酸酯基树脂、甲基丙烯酸树脂、环氧基树脂、氨基甲酸酯基树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯醚树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰氨树脂、聚乙酸乙烯脂、氯乙烯基树脂、脲基树脂、苯乙烯基树脂、丁二烯基树脂、天然橡胶基树脂、聚乙烯基咔唑、聚乙二醇、酚基树脂、包括上述树脂的共聚物、明胶等。粘合剂树脂也可以单独或者组合地使用。可以使用任何已知的光聚合引发剂作为上述光聚合引发剂。光聚合引发剂可以单独地或者组合地使用。光聚合引发剂可以与至少一种光敏剂颜料组合使用。可以酌情向感光材料前驱体层添加增塑剂、链转移剂和其他添加物。用于保护体全息衍射光栅的保护层可包括任意透明材料。通过将材料涂覆或者将预先制成薄膜的材料层叠到感光材料前驱体层上，可以形成保护层。组成保护层的材料例如可以是聚乙烯醇(PVA)树脂、丙烯酸树脂，聚氨酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、三乙酸纤维素(TAC)树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂、聚丙烯树脂、聚碳酸酯树脂和聚氯乙烯树脂。
在包含上述各种有利形式的本公开的图像显示装置或者显示设备中的图像显示装置中，图像形成装置可以具有排列成二维矩阵的多个像素。注意，为了方便起见，具有这种构成的图像形成装置被称为“第一构成的图像形成装置”。
第一构成的图像形成装置可包括：包括反射型空间光调制器和光源的图像形成装置；包括透射型空间光调制器和光源的图像形成装置；和包括诸如有机电致发光(EL)元件、无机EL元件、发光二极管(LED)或半导体激光元件之类的发光元件的图像形成装置。在这些装置之中，有利地使用包括反射型空间光调制器和光源的图像形成装置，或者包括有机EL元件的图像形成装置。空间光调制器可包括包含诸如LCOS(硅上液晶)之类的光阀的透射型或反射型液晶显示装置，和数字微镜器件(DMD)。光源可包括发光元件。此外，反射型空间光调制器可包括液晶显示装置，和反射来自光源的光的一部分，把该部分光引导到液晶显示装置，透射由液晶显示装置反射的光的一部分，并把该部分光引导到光学系统的偏振分束器。组成光源的发光元件可包括红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件和白色发光元件。或者，通过利用光管，可以混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件出射的红光、绿光和蓝光，并使亮度均匀，从而获得白光。作为发光元件，例如，可以例示半导体激光装置、固态激光器和LED。像素的数量可以基于对于图像显示装置所要求的规格来确定。作为像素的数量的具体值，可以例示320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等。
或者，在包含上述有利形式的本公开的图像显示装置或者显示设备中的图像显示装置中，图像形成装置可被构成为包括光源，和用于扫描从光源出射的平行光的扫描装置。注意，为了方便起见，具有此类构成的图像形成装置被称为“第二构成的图像形成装置”。
第二构成的图像形成装置中的光源可包括发光元件。具体地，可以使用红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件和白色发光元件。或者，通过利用光管，可以混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件出射的红光、绿光和蓝光，并使亮度均匀，从而获得白光。作为发光元件，例如可以例示半导体激光装置、固态激光器和LED。第二构成的图像形成装置中的像素(虚拟像素)的数量也可以基于对于图像显示装置所要求的规格来确定。作为像素(虚拟像素)的数量的具体值，可以例示320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080等。此外，在进行彩色的图像显示的情况下，和在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，例如，有利地利用交叉棱镜(cross rhythm)进行颜色合成。扫描装置例如可包括水平和垂直扫描从光源出射的光的电流镜或包含可在二维方向上旋转的微镜的微机电系统(MEMS)。
在第一构成的图像形成装置或者第二构成的图像形成装置中，使在光学系统(该光学系统是准直从图像形成装置出射的光，以获得平行光的光学系统，可以称为“平行光出射光学系统”，具体地，例如，准直光学系统或中继光学系统)中成为多个平行光束的光进入导光板。成为平行光的这种要求基于即使在通过第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等，从导光板出射光束之后，也需要保存在光束进入导光板时所获得的光波前信息的事实。注意，为了生成多个平行光束，具体地，例如，图像形成装置的发光单元可以定位于例如平行光出射光学系统中的焦距的位置。平行光出射光学系统具有将像素的位置信息变换成光学系统中的角度信息的功能。平行光出射光学系统的例子可包括整体具有正光焦度的光学系统，其中单独地或者组合地使用凸透镜、凹透镜、自由曲面棱镜和全息透镜。
为了使从平行光出射光学系统出射的光进入第一A偏转部件和第二A偏转部件，只需要在平行光出射光学系统与第一A偏转部件和第二A偏转部件之间布置适当的导光装置。反射镜可以用作所述导光装置。此外，从平行光出射光学系统出射的光可以直接聚光在第一A偏转部件和第二A偏转部件上。
导光板具有2个平行表面(第一表面和第二表面)。假定光入射到的导光板的表面是导光板入射面，并且假定出射光的导光板的表面是导光板出射面，导光板入射面和导光板出射面可以由第一表面构成。或者，导光板入射面可由第一表面构成，而导光板出射面可由第二表面构成。
组成导光板的材料的例子可包括玻璃(包含诸如石英玻璃或BK7之类的光学玻璃)，和塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、非晶态聚丙烯基树脂、或者包含AS树脂的苯乙烯基树脂)。导光板的形状不限于平板，可以具有弯曲形状。作为具有1.5或更高的折射率的材料，可以例示BK7、聚碳酸酯树脂、非晶态聚丙烯基树脂和包含AS树脂的苯乙烯基树脂。作为具有1.6或更高的折射率的材料，可以例示丙烯酸树脂。
图像显示装置可以包括调光器。即，光学装置可以与调光器的至少一部分交叠。更具体地，有利的是光学装置的至少第一C偏转部件等与调光器交叠。
具体地，调光器可被配置成包括
第一基板，
面对第一基板的第二基板，
设置在第一基板的面对第二基板的相对面上的第一透明电极，设置在第二基板的面对第一基板的相对面上的第二透明电极，和
夹在第一透明电极和第二透明电极之间的调光层。
注意，在调光器工作期间，例如，向第一透明电极施加比第二透明电极的电压高的电压。
调光层可以是应用由无机或有机电致变色材料的氧化还原反应产生的物质的颜色变化的光学快门。具体地，调光层可包括无机或有机电致变色材料。此外，从第一透明电极侧起，调光层可具有WO3层/Ta2O5层/IrXSn1-XO层的无机电致变色材料层的层叠结构，或者WO3层/Ta2O5层/IrOX层的无机电致变色材料层的层叠结构。代替WO3层，可以使用MoO3层或V2O5层。或者，代替IrOX层，可以使用ZrO2层或者磷酸锆层。或者，可以使用普鲁士蓝络合物/镍置换普鲁士蓝络合物等。作为有机电致变色材料，例如，还可以使用在日本专利申请公开No.2014-111710或日本专利申请公开No.2014-159385中公开的电致变色材料。
或者，调光层可以包括电泳分散液，或者可以包括利用应用金属(例如，银颗粒)的可逆氧化-还原反应所产生的电沉积和离解现象的电沉积方法(电沉积和电场沉积)的光学快门，即，包含金属离子的电解质。
这里，电泳分散液包含大量的带电电泳颗粒，和颜色与电泳颗粒不同的分散介质。例如，在第一透明电极被图案化，而第二透明电极未被图案化(所谓的固体电极构成)的情况下，以及在电泳颗粒带负电的情况下，当向第一透明电极施加相对负电压，并向第二透明电极施加相对正电压时，带负电的电泳颗粒迁移，以致覆盖第二透明电极。于是，调光器中的遮光率为较高的值。另一方面，与此相反，当向第一透明电极施加相对正电压，并向第二透明电极施加相对负电压时，电泳颗粒迁移，以致覆盖第一透明电极。于是，调光器中的遮光率为较低的值。适当地进行对这样的透明电极的电压施加，可以控制调光器中的遮光率。电压可以是直流电压或交流电压。可以使用任意形状的图案化的第一透明电极，只要电泳颗粒迁移，以致覆盖第一透明电极，并在调光器中的遮光率为较低值时，可以优化调光器中的遮光率的值即可。可以通过进行各种测试来确定图案化的第一透明电极的形状。如果需要，可以在透明电极上形成绝缘层。作为组成绝缘层的材料，例如，可以使用无色透明绝缘树脂。具体地，例如，可以使用丙烯酸树脂、环氧基树脂、氟基树脂、硅基树脂、聚酰亚胺基树脂、聚苯乙烯基树脂等。
作为组成构成调光器的透明第一基板和第二基板的材料，具体地，可以例示钠钙玻璃、白板玻璃等透明玻璃基板、塑料基板、塑料片和塑料膜。这里，塑料可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、诸如醋酸纤维素之类的纤维素酯、诸如聚偏二氟乙烯或者聚四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物之类的含氟聚合物、诸如聚甲醛之类的聚醚、聚缩醛、聚苯乙烯、聚乙烯，聚丙烯、诸如甲基戊烯聚合物之类的聚烯烃、诸如聚酰胺酰亚胺或聚醚酰亚胺之类的聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚砜、聚苯硫醚、聚偏二氟乙烯、四乙酰纤维素、溴化苯氧基、聚芳酯、聚砜等。塑料片和塑料膜可以具有不易弯曲的刚性，也可以具有柔性。如果第一基板和第二基板由透明塑料基板形成，那么在基板的内表面中，可以形成由无机材料或有机材料形成的阻挡层。
第一基板和第二基板在外缘用密封部件密封，并相互粘合。作为密封部件，可以使用热固型、可光固化型、可湿气固化型、可厌氧固化型等的各种树脂，比如环氧基树脂、聚氨酯基树脂、丙烯酸树脂、醋酸乙烯酯基树脂、烯-硫醇基树脂、硅基树脂和改性聚合物树脂，密封部件也被称为密封剂。
如果组成调光器的基板之一还充当光学装置的组成部件(具体地，布置成以致体全息衍射光栅不与大气直接接触的保护部件)，那么可以减小整个显示装置的重量，而且不可能给显示设备的用户带来不舒适的感觉。注意，另一个基板可以具有比所述基板之一薄的构成。
第一透明电极可以图案化或者可不图案化。第二透明电极可以图案化或者可不图案化。组成第一透明电极和第二透明电极的材料的具体例子可包括(但不限于)铟锡复合氧化物(包括ITO、铟锡氧化物、Sn掺杂In2O3、晶态ITO和非晶态ITO)、氟掺杂SnO2(FTO)、IFO(F掺杂In2O3)、锑掺杂SnO2(ATO)、SnO2、ZnO(包括Al掺杂ZnO或B掺杂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，和诸如聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩之类的导电聚合物。此外，也可以使用它们中的两种或更多种的组合。可以基于诸如真空气相沉积法和溅射法之类的物理气相沉积方法(PVD方法)、各种化学气相沉积方法(CVD方法)、各种涂布方法等，形成第一透明电极和第二透明电极，图案化可以用任意方法(比如蚀刻法、剥离法和利用各种掩模的方法)来进行。
调光器可以布置在前部部分上。这种情况下，前部部分可以具有边框(rim)，调光器可以嵌入边框中。此外，在包含上述各种有利形式的本公开的显示设备中，可以从观察者侧起按光学装置和调光器的顺序布置光学装置和调光器，或者可以按调光器和光学装置的顺序布置调光器和光学装置。
还设置有用于测量显示设备所处环境的照度的照度传感器(环境照度测量传感器)，基于照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果，可以控制调光器的遮光率。或者，还设置有用于测量显示设备所处环境的照度的照度传感器(环境照度测量传感器)，基于照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果，可以控制由图像形成装置形成的图像的亮度。可以组合地使用这些形式。
或者，还设置有用于测量基于从外部环境透过调光器的光的照度的第二照度传感器(为方便起见，在一些情况下称为透射光照度测量传感器)，基于第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果，可以控制调光器的遮光率。或者，还设置有用于测量基于从外部环境透过调光器的光的照度的第二照度传感器(透射光照度测量传感器)，基于第二照度传感器(透射光照度测量传感器)的测量结果，可以控制由图像形成装置形成的图像的亮度。注意，第二照度传感器(透射光照度测量传感器)有利的是相对于光学装置布置在观察者侧。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)，以测量基于透过高遮光率的部分的光的照度，和测量基于透过低遮光率的部分的光的照度。可以组合地使用这些形式。此外，这些形式可以与上面说明的基于照度传感器(环境照度测量传感器)的测量结果进行控制的形式组合。
照度传感器(环境照度测量传感器、透射光照度测量传感器)可以由公知的照度传感器形成，并且可以基于公知的控制电路控制照度传感器。
调光器的最大透光率可以为50％或更高，调光器的最小透光率可以为30％或更低。注意，调光器的最大透光率的上限值可为99％，调光器的最小透光率的下限值可为1％。这里存在以下关系。
(透光率)＝1-(遮光率)
连接器可以附接到调光器(具体地，连接器可以附接到第一透明电极或第二透明电极)，从而通过连接器和配线，调光器可以电气连接到用于控制调光器的遮光率的控制电路(例如，包含在用于控制图像形成装置的控制装置中的调光器控制电路)。
在一些情况下，通过调光器的光可以由该调光器着色成期望的颜色。这种情况下，由调光器提供的颜色可以是可变的。或者，由调光器提供的颜色可以是固定的。注意，在前一情况下，例如，可以层叠红色的调光器、绿色的调光器和蓝色的调光器。此外，在后一情况下，作为由调光器提供的颜色，可以例示棕色，不过不限于此。
观察者可以观察通过调光器和光学装置的光的明度，通过操作开关、按钮、转盘、滑块、旋钮等，可以手动控制和调整遮光率。或者，观察者可以基于上面说明的用于测量基于从外部环境通过调光器的光的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，控制和调整遮光率。注意，具体地，遮光率的控制和调整只需要控制施加于第一透明电极和第二透明电极的电压。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)，以测量基于通过高遮光率的部分的光的照度，和测量基于通过低遮光率的部分的光的照度。显示设备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。如果显示设备包括两个图像显示装置，那么分别在一个调光器和另一个调光器中，调整施加于第一透明电极和第二透明电极的电压，从而可以使一个调光器中的遮光率和另一个调光器中的遮光率相等。例如，可以基于上面说明的用于测量基于从外部环境通过调光器的光的照度的第二照度传感器(透射电子照度测量传感器)的测量结果，控制一个调光器中的遮光率和另一个调光器中的遮光率。或者，观察者可观察通过一个调光器和光学装置的光的明度，以及通过另一个调光器和光学装置的光的明度，并通过操作开关、按钮、转盘、滑块、旋钮等，可以手动控制和调整遮光率。在调整遮光率时，在光学装置上可以显示测试图案。
在本公开的显示设备中，框架可包括布置在观察者的正面的前部部分，和通过铰链可枢转地附接在前部部分两端处的两个脚丝(temple)部分。注意，脚套(tip cell)部分附接到每个脚丝部分的远端部分。图像显示设备附接到框架。具体地，例如，图像形成装置只需要附接到前部部分的上部。此外，前部部分和两个脚丝部分可以是一体的。即，当查看本公开的整个显示设备时，框架一般具有与普通眼镜相同的结构。组成包括托部分的框架的材料可以由与组成普通眼镜的材料相同的材料形成，比如金属、合金、塑料及它们的组合。此外，鼻托可以附接到前部部分。即，当查看本公开的整个显示设备时，框架(包括边框)及鼻托的组合体具有与普通眼镜大体相同的结构。鼻托也可具有公知的构成和结构。
此外，在本公开的显示设备中，从设计或易于安装的角度来看，理想的是来自一个或两个图像形成装置的配线(信号线、电源线等)通过脚丝部分及脚套部分的内部，从脚套部分的远端部分延伸到外部，从而连接到控制装置(控制电路或控制单元)。此外，每个图像形成装置包括耳机部分，并且来自每个图像形成装置的耳机部分配线也可通过脚丝部分及脚套部分的内部，从脚套部分的远端部分延伸到耳机部分。耳机部分的例子可以包括内耳式耳机部分和耳道式耳机部分。更具体地，耳机部分配线有利的是从脚套部分的远端延伸到耳机部分，以便绕过耳廓(耳壳)的背侧。此外，成像装置可以附接到前部部分的中央部分。具体地，例如，成像装置包括诸如CCD或CMOS传感器之类的固态成像装置和透镜。来自成像装置的配线可以例如通过前部部分，连接到图像显示装置(或者图像形成装置)之一，并且可以包含在从图像显示装置(或者图像形成装置)延伸的配线中。
本公开的显示设备可以构成例如头戴式显示器(HMD)。从而，可以实现显示设备的轻量化和小型化，大幅减轻佩戴显示设备时的不适感。此外，还可以降低制造成本。或者，本公开的图像显示装置可以适用于设置在飞机或车辆的驾驶舱等中的平视显示器(HUD)。具体地，可以设置布置在飞机或车辆的驾驶舱等的风档上的包括其中基于从图像形成装置出射的光，形成虚像的虚像形成区域的HUD。或者，可以设置布置在飞机或车辆的驾驶舱等的风档上包括具有其中基于从图像形成装置出射的光，形成虚像的虚像形成区域的组合器的HUD。
第一实施例
第一实施例涉及本公开的光学装置，本公开的图像显示装置以及本公开的显示设备。图1A是第一实施例的光学装置的示意透视图，图1B是从上方看的第一实施例的光学装置的示意图。此外，图2是组成第一实施例的光学装置的第一偏转单元的示意透视图。图3是第二偏转单元的示意透视图。图4A是第一实施例的光学装置的示意剖视图。图4B是从侧面看的第一实施例的光学装置的示意图。图6是从上方看的第一实施例的显示设备的示意图。图7是从正面看的第一实施例的显示设备的示意图。此外，图10A、10B、11A和11B是第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件的波矢量等的概念图。
第一实施例的光学装置10是从图像形成装置60出射的光入射到，光在其中被引导，并且光从其出射的光学装置，该光学装置包括：导光板20；第一偏转单元；和第二偏转单元。第一偏转单元包括第一A偏转部件31、第一B偏转部件32和第一C偏转部件33。第二偏转单元包括第二A偏转部件41、第二B偏转部件42和第二C偏转部件43。从图像形成装置60出射的光的一部分进入第一A偏转部件31。入射到第一A偏转部件31的光被第一A偏转部件31偏转，通过导光板20内部的全反射进入第一B偏转部件32，被第一B偏转部件32偏转，通过导光板20内部的全反射进入第一C偏转部件33，被第一C偏转部件33偏转，并朝观察者的瞳孔90出射。此外，从图像形成装置60出射的光的至少剩余部分进入第二A偏转部件41。入射到第二A偏转部件41的光被第二A偏转部件41偏转，通过导光板20内部的全反射进入第二B偏转部件42，被第二B偏转部件42偏转，通过导光板20内部的全反射进入第二C偏转部件43，被第二C偏转部件43偏转，并朝观察者的瞳孔90出射。此外，假定当被第一A偏转部件31偏转的光的传播方向正投影到导光板20时获得的方向是第一方向，并且当被第二A偏转部件41偏转的光的传播方向正投影到导光板20时获得的方向是第二方向，第一方向与第二方向相反。
此外，第一实施例的图像显示装置11包括：图像形成装置60；和光学装置，从图像形成装置60出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括第一实施例的光学装置10。
此外，第一实施例的显示设备包括：要配戴在观察者的头部的框架50；和附接到框架50的图像显示装置11，图像显示装置11包括图像形成装置60，和光学装置，从图像形成装置60出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括第一实施例的光学装置10。
具体地，第一实施例的显示设备是具有两个图像显示装置11的双目型显示设备，不过可以是具有一个图像显示装置11的单目型显示设备。光学装置10是透明型(半透射型)的。此外，图像形成装置60显示单色图像，不过不限于此。
在第一实施例的光学装置10中，假定导光板20上的从图像形成装置60的图像形成区域的中心点出射的光与导光板20碰撞的点为原点O，通过原点O并指向第一方向的导光板20的轴线为X轴，通过原点O的导光板的厚度方向的轴(包括通过原点O的导光板20的法线的轴)为Z轴，与X轴和Z轴正交的轴为Y轴，第一偏转单元和第二偏转单元对称于YZ平面布置。此外，从图像形成装置60的图像形成区域的中心点出射的光是垂直于第一A偏转部件31和第二A偏转部件41入射的。不过，本公开不限于此，光可以以非垂直的某个角度进入第一A偏转部件31和第二A偏转部件41。
在第一实施例的光学装置10中，第一A偏转部件31具有X方向的端部，第二A偏转部件41具有-X方向的端部，第一A偏转部件31在X方向的端面和第二A偏转部件41在-X方向的端面相互接触。具体地，在第一实施例的光学装置中，从图像形成装置60出射的光的一半进入第一A偏转部件31，从图像形成装置60出射的光的剩余一半进入第二A偏转部件41。在图1B、5A和5B中，传播通过第一偏转单元的光用细实线指示，而传播通过第二偏转单元的光用细虚线指示。另外，从图的上方向下方传播的光用圆圈中标有“×”的符号来指示。此外，在图1A中，从图像形成装置60的图像形成区域的中心点出射，入射到第一A偏转部件31和第二A偏转部件41，并从第一C偏转部件33和第二C偏转部件43出射的光用粗实线指示，而以视角(θ)和视角(-θ)从图像形成装置60的图像形成区域出射，入射到第一A偏转部件31和第二A偏转部件41，并从第一C偏转部件33和第二C偏转部件43出射的光用粗虚线指示。此外，在图2和3中，从图像形成装置60的图像形成区域的中心点出射，入射到第一A偏转部件31和第二A偏转部件41，在导光板20内被全反射，并从第一C偏转部件33和第二C偏转部件43出射的光用粗实线指示，而以视角(θ)和视角(-θ)从图像形成装置60的图像形成区域出射，入射到第一A偏转部件31和第二A偏转部件41，在导光板20内被全反射，并从第一C偏转部件33和第二C偏转部件43出射的光用粗虚线指示。
在第一实施例的光学装置10中，第一A偏转部件31、第一B偏转部件32、第一C偏转部件33、第二A偏转部件41、第二B偏转部件42和第二C偏转部件43都包括体全息衍射光栅。这里，导光板20具有2个平行表面(第一表面21和第二表面22)。第一表面21组成导光板20的导光板入射面，而第二表面22组成导光板20的导光板出射面。均包括透射型体全息衍射光栅的第一A偏转部件31和第二A偏转部件41布置(具体地，粘合)在导光板20的第一表面21上，均包括反射型体全息衍射光栅的第一B偏转部件32、第一C偏转部件33、第二B偏转部件42和第二C偏转部件43布置(具体地，粘合)在导光板20的第二表面22上。第一A偏转部件31、第一B偏转部件32、第一C偏转部件33、第二A偏转部件41、第二B偏转部件42和第二C偏转部件43都包括单一光栅层。在由光聚合物材料制成的各个偏转部件中，形成与一种波段(或波长)对应的干涉条纹，干涉条纹是用常规方法制作的。在偏转部件(衍射光学元件)中形成的干涉条纹的间距是不变的，干涉条纹是线性的。干涉条纹的倾斜角(倾角)在体全息衍射光栅中可以是不变的，或者可以随入射到体全息衍射光栅的图像的视角的值而变化。在干涉条纹的倾斜角随入射图像的视角的值而变化的情况下，倾斜角可以连续地或者阶梯式地变化。此外，有利的是第一A偏转部件31和第二A偏转部件41被设计成以致在第一A偏转部件31在X方向的端面和第二A偏转部件41在-X方向的端面之间的界面区域被夹在其间的情况下，第一A偏转部件31的衍射效率和第二A偏转部件41的衍射效率是连续变化的。
为了使入射到第一A偏转部件31和第二A偏转部件41的光在导光板20内全反射，要求在导光板20内传播，并与导光板20的第一表面21或第二表面22碰撞的光相对于第一表面21或第二表面22的角度(入射角)大于全反射角。于是，例如，光对于第一A偏转部件31的入射角需要满足kv·sin(θin)+m·kv 1-A＝kv·sin(θdiff)。此外，要求θdiff的值大于全反射角。
这里，
kv表示入射光的波矢量，
θin表示入射角，
θdiff表示衍射角，和
m表示阶数。
相对于图像的视角的衍射角由满足后面说明的布拉格条件的等式定义，并且由波长λ和光栅表面的间距d决定。图14的曲线图表示以间距d为参数，光对于第一A偏转部件31或第二A偏转部件41的入射角与第一A偏转部件31或第二A偏转部件41的衍射角之间的关系。图14中，“A”指示间距d＝300nm的数据，“B”指示间距d＝320nm的数据，“C”指示间距d＝340nm的数据，“D”指示间距d＝360nm的数据，“E”指示间距d＝380nm的数据。
顺便提及，相对于图像的视角的衍射角θdiff用上述等式表示。在透射型体全息衍射光栅的情况下，m的值有利地为“-1”(-1阶)，入射视角对应于从全反射角起-90度的衍射角(参照图14)。第一A偏转部件31和第二A偏转部件41分别分担X方向和-X方向的视角，但是有利的是所负责的视角交叠。图14的曲线图表示第一A偏转部件31或第二A偏转部件41中，在波长530nm的情况下间距d与衍射角之间的关系。这种情况下，有利的是选择像“D”或“E”的情况那样，入射视角从0度起交叠的间距。随着交叠的入射角变大，可到达瞳孔的视角变窄，不过偏转部件的宽度只需要被设定为与全反射的间距相等。这种情况下，可以考虑到光源的波长色散来设定偏转部件的宽度。例如，偏转部件的宽度(具体地，第一A偏转部件31沿着X方向的宽度，第二A偏转部件41沿着-X方向的宽度)只需要被设定成满足以下等式：
偏转部件的宽度＝Ptir＝2·T·tan(θdiff)
其中导光板的厚度为T，在导光板内被全反射的光的全反射的间距为Ptir。例如，在包括LED的光源的波长半值宽为30nm的情况下，有利的是计算500nm～560nm的范围，并设定偏转部件的最小宽度，或者设定衍射角θdiff的最大角度。
这里，有利的是被第一A偏转部件31反射的所有光都入射到第一B偏转部件32，被第一B偏转部件32反射的所有光都入射到第一C偏转部件33，被第二A偏转部件41反射的所有光都入射到第二B偏转部件42，被第二B偏转部件42反射的所有光都入射到第二C偏转部件43。不过，排除导光板20中的光损失。
光通过导光板20内的全反射从第一A偏转部件等向第一B偏转部件等传播，从而入射到导光板20的图像在X轴方向和-X轴方向上展开(扩大)。此外，光通过导光板20内的全反射从第一B偏转部件等向第一C偏转部件等传播，从而在X轴方向和-X轴方向上展开(扩大)的图像在-Y轴方向上进一步展开。从而，来自图像形成装置60的图像在垂直和水平方向上被展开(放大)，到达观察者的瞳孔90。此外，来自图像形成装置60的平行光被第一A偏转部件等和第一B偏转部件等衍射(具体地，被多次衍射和反射)，通过全反射在导光板20内部传播，并作为平行光从导光板20的第二表面22出射。
也可以提供以下结构：第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等的不面向导光板20的表面涂覆以透明树脂板或透明树脂膜，以防止第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等受损。此外，透明保护膜可以粘合到导光板20的第一表面21或第二表面22，以保护导光板20。
在图解所示的例子中，第一A偏转部件等和第一C偏转部件等的平面形状为矩形，第一B偏转部件等的平面形状为等腰梯形。不过，这些部件的平面形状并不局限于此。例如，第一A偏转部件等的平面形状可以为圆形，第一B偏转部件等的平面形状可以为矩形。导光板20的平面形状也可以是角被切掉的形状。
从图像形成装置60出射的光(单色)的波长被设定为λ0＝530nm。此外，使用厚度1.0mm的玻璃(折射率1.51)作为组成导光板20的材料，组成第一A偏转部件等、第一B偏转部件等和第一C偏转部件等的光聚合物材料的平均折射率被设定为1.51。注意，导光板20的厚度在本质上对显示图像的视角的加宽没有贡献，但是导光板20的厚度的减小可以实现第一A偏转部件等的尺寸的减小，以及组成图像形成装置60的平行光出射光学系统的小型化。导光板20的厚度的增大可以减少导光板20中的反射总次数，并且通过抑制反射面散射，允许投影高质量图像。从而，需要选择最佳厚度的导光板20。
此外，在第一实施例的光学装置10中，第一A偏转部件31和第二A偏转部件41均包括体全息衍射光栅，并且满足
kX 1-A+kX 2-A＝0,
kY 1-A＝kY 2-A，和
kZ 1-A＝kZ 2-A，
其中第一A偏转部件31的波矢量为kv 1-A，kv 1-A的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-A、kY 1-A和kZ 1-A，第二A偏转部件41的波矢量为kv 2-A，kv 2-A的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-A、kY 2-A和kZ 2-A。此外，第一C偏转部件33和第二C偏转部件43均可包括体全息衍射光栅，并且满足
kX 1-C+kX 2-C＝0,
kY 1-C＝kY 2-C，和
kZ 1-C＝kZ 2-C，
其中第一C偏转部件33的波矢量为kv 1-C，kv 1-C的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-C、kY 1-C和kZ 1-C，第二C偏转部件43的波矢量为kv 2-C，kv 2-C的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-C、kY 2-C和kZ 2-C。此外，第一B偏转部件32和第二B偏转部件42均可包括体全息衍射光栅，并且满足
kX 1-B+kX 2-B＝0,
kY 1-B＝kY 2-B，和
kZ 1-B＝kZ 2-C，
其中第一B偏转部件32的波矢量为kv 1-B，kv 1-B的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-B、kY 1-B和kZ 1-B，第二B偏转部件42的波矢量为kv 2-B，kv 2-B的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-B、kY 2-B和kZ 2-B。此外，可以满足
kX 1-A+kX 1-B＝0,
kY 1-B+kY 1-C＝0,
kX 2-A+kX 2-B＝0，和
kY 2-B+kY 2-C＝0。
此外，可以满足
kv 1-A+kv 1-B+kv 1-C＝0，和
kv 2-A+kv 2-B+kv 2-C＝0。
注意，在图2、3、10A和10B中所示的例子中，由概念地图示的波矢量kv 1-A、kv 1-B、kv 1-C形成的三角形是等腰直角三角形。例如，第一A偏转部件等和第一C偏转部件等的光栅周期d1和d3的值为422nm，第一B偏转部件等的光栅周期d2的值为422nm/21/2＝298nm。在图11A和11B中所示的例子中，三角形为不等边三角形。但是，由波矢量kv 1-A、kv 1-B、kv 1-C形成的三角形不限于这些三角形。
此外，假定对于从图像形成装置60出射的光，第一A偏转部件31的平均衍射效率为η1-A，第一B偏转部件32的平均衍射效率为η1-B，而第一C偏转部件33的平均衍射效率为η1-C，且满足η1-B/η1-A<1和η1-C/η1-A<1。假定对于从图像形成装置60出射的光，第二A偏转部件41的平均衍射效率为η2-A，第二B偏转部件42的平均衍射效率为η2-B，而第二C偏转部件的平均衍射效率为η2-C，并且满足η2-B/η2-A<1和η2-C/η2-A<1。
如图8A中所示，图像形成装置60(下面，图8A中所示的图像形成装置被称为图像形成装置60A)是第一构成的图像形成装置，包括排列成二维矩阵的多个像素。具体地，图像形成装置60A包括反射型空间光调制器和由出射白光的发光二极管组成的光源71。整个图像形成装置60A置于外壳70(图8A中用短划线指示)内。在外壳70中设置有开口(未图示)，光通过开口，从光学系统(平行光出射光学系统，准直光学系统74)出射。外壳70通过安装部件(未图示)附接到前部部分51的上部。反射型空间光调制器包括包含作为光阀的LCOS的液晶显示器(LCD)73。此外，设置偏振分束器72，以反射来自光源71的光的一部分，从而引导到液晶显示装置73，并透过由液晶显示装置73反射的光的一部分，从而引导到光学系统74。液晶显示装置73包括排列成二维矩阵的多个(例如，640×480)像素(液晶单元，液晶显示元件)。偏振分束器72具有公知的构成和结构。从光源71出射的非偏振光与偏振分束器72碰撞。在偏振分束器72中，P偏振分量通过它，出射到系统之外。另一方面，S偏振分量被偏振分束器72反射，进入液晶显示装置73，在液晶显示装置73内被反射，并从液晶显示装置73出射。这里，在从液晶显示装置73出射的光中，从用于显示“白”的像素出射的光包括许多P偏振光分量，而从用于显示“黑”的像素出射的光包括许多S偏振光分量。从而，在从液晶显示装置73出射，并与偏振分束器72碰撞的光中，P偏振光分量通过偏振分束器72，被引导到光学系统74。另一方面，S偏振分量在偏振分束器72中被反射，返回到光源71。光学系统74例如包括凸透镜。为了产生平行光，图像形成装置60A(更具体地，液晶显示装置73)被布置在光学系统74中的焦距的位置处。从图像形成装置60A出射的图像通过导光装置(未图示)，进入第一A偏转部件31和第二A偏转部件41。液晶显示装置73包括排列成二维矩阵的多个(例如，640×480)像素(液晶单元，液晶显示元件)。
或者，如图8B中所示，图像形成装置60(下面，图8B中所示的图像形成装置被称为图像形成装置60B)包括有机EL显示装置75。从有机EL显示装置75出射的图像通过凸透镜76，成为平行光，并通过导光装置(未图示)，指向第一A偏转部件31和第二A偏转部件41。有机EL显示装置75包括排列成二维矩阵的多个(例如，640×480)像素(有机EL元件)。
或者，如图8C中所示，作为第二构成的图像形成装置的图像形成装置60(下面，图8C中所示的图像形成装置被称为图像形成装置60C)包括光源81，
用于准直从光源81出射的光，从而获得平行光的准直光学系统82，
用于扫描从准直光学系统82出射的平行光的扫描装置84，和
用于中继和出射由扫描装置84扫描的平行光的中继光学系统85。注意，整个图像形成装置60C置于外壳70(图8C中短划线指示)内。在外壳70中设置有开口(未图示)，光通过开口，从中继光学系统85出射。外壳70通过安装部件(未图示)附接到前部部分51的上部。光源81包括出射绿光的发光元件(LED)。从光源81出射的光进入整体具有正光焦度的准直光学系统82，并作为平行光出射。平行光由全反射镜83反射，由扫描装置84进行水平扫描和垂直扫描，扫描装置84包括其中微镜可在二维方向上旋转，从而可以二维地扫描入射平行光的MEMS，随后形成一种二维图像，生成虚拟像素(像素数例如可以与图像形成装置60A相同)。来自虚拟像素的光通过由公知的中继光学系统组成的中继光学系统(平行光出射光学系统)85，然后经导光装置(未图示)进入第一A偏转部件31和第二A偏转部件41。
如在图9A的概念图中所示，光学装置包括一个图像形成装置60(60A、60B、60C)，从图像形成装置60出射的图像可以由透镜74、76、85(图中用附图标记101表示)聚光，使其进入第一A偏转部件31和第二A偏转部件41。从图像生成装置60出射的图像通过透镜101进入第一A偏转部件31和第二A偏转部件41。此时，透镜101在X轴方向的入瞳直径有利的是大于第一A偏转部件31和第二A偏转部件41在X轴方向的宽度，更有利地，与第一A偏转部件31和第二A偏转部件41在X轴方向的宽度相同。或者，如在图9B的概念图中所示，光学装置包括两个图像形成装置601和602，可利用透镜74、76、85(图中用附图标记111表示)对从一个图像形成装置601出射的图像聚光，使图像通过半反射镜113进入第一A偏转部件31，利用透镜74、76、85(图中用附图标记112表示)对从另一个图像形成装置602出射的图像聚光，用半反射镜113反射该图像，并使反射的图像进入第一A偏转部件41。注意在图9A和9B中，省略了除第一A偏转部件31和第二A偏转部件41外的偏转部件的图示。
框架50包括布置在观察者的前方的前部部分51(包括边框51')，通过铰链52在前部部分51的两端枢转地附接的两个脚丝部分53，和附接到每个脚丝部分53的远端的脚套部分(也称为脚套、耳垫)54。此外，还附接鼻托51”。即，框架50和鼻托51”的组合体基本上具有与普通眼镜大体相同的结构。此外，如上所述，每个外壳70通过安装部件(未图示)附接到前部部分51。框架50由金属或塑料制成。注意，每个外壳70可通过安装部件，可拆卸地附接到前部部分51。
此外，从图像形成装置60之一延伸的配线(信号线、电源线等，其一部分未图示)55通过脚丝部分53和脚套部分54的内部，从脚套部分54的远端部分延伸到外部，并连接到控制装置(控制电路、控制单元)58。此外，每个图像形成装置60包括耳机部分56，从每个图像形成装置60延伸的耳机部分配线57通过脚丝部分53和脚套部分54的内部，从脚套部分54的远端部分延伸到耳机部分56。更具体地，耳机部分配线57(其一部分未图示)从脚套部分54的远端延伸到耳机部分56，以便绕过耳廓(耳壳)的背侧。这种构成不会产生耳机部分56和耳机部分配线57布置杂乱的印象，从而可以提供整洁的显示装置。
第一实施例的光学装置，组成第一实施例的图像显示装置的光学装置，以及组成第一实施例的显示设备的光学装置均包括第一偏转单元和第二偏转单元，从图像形成装置出射的图像的一部分(例如，一半)进入第一偏转单元，从图像形成装置出射的图像的至少剩余部分(例如，剩余的一半)进入第二偏转单元。即，图像被第一A偏转部件和第二A偏转部件以某种方式分割。分割的图像最终从第一偏转单元和第二偏转单元出射并被合成，即，从第一C偏转部件和第二C偏转部件出射的图像被合成，以到达观察者的瞳孔。于是，例如，可以获得为常规光学装置中的图像的视角的2倍的视角。即，可以提供具有能够实现宽得多的视角的构成或结构的光学装置，包括这样的光学装置的图像显示装置，以及包括这样的图像显示装置的显示设备。
第二实施例
第二实施例是第一实施例的变形例。从上方看的第二实施例的光学装置的示意图如图5A中所示，从图像形成装置60出射，并入射到第一A偏转部件31的光的一部分进入第二A偏转部件41。即，第一A偏转部件31和第二A偏转部件41部分交叠。具体地，第一A偏转部件31具有在X方向的端部，第二A偏转部件41具有在-X方向的端部，并且第一A偏转部件31在X方向的端部和第二A偏转部件41在-X方向的端部交叠。在图解所示的例子中，支撑部件23布置在导光板20的第一表面21上。第二A偏转部件41在-X方向的端面与支撑部件23接触。第一A偏转部件31布置在第二A偏转部件41和支撑部件23上。通过第一A偏转部件31并由第二A偏转部件41衍射和反射的光不满足第一A偏转部件31中的布拉格条件，从而在第一A偏转部件31中不被衍射和反射。
即，具体地，在第二实施例中，从图像形成装置60出射的光具有3种形态。
(1)进入光学装置的第一偏转单元。
(2)进入光学装置的第二偏转单元，而不进入第一偏转单元。
(3)进入光学装置的第一偏转单元，通过第一偏转单元，以及进入第二偏转单元。
这里，在(3)的情况下，进入光学装置的第一偏转单元的光传播通过第一A偏转部件31、第一B偏转部件32和第一C偏转部件33，并穿过光学装置的第一偏转单元。进入第二偏转单元的光传播通过第二A偏转部件41、第二B偏转部件42和第二C偏转部件43。
这里，体全息衍射光栅包括具有倾斜角(倾角)
Figure BDA0002667547090000303
的干涉条纹。倾斜角
Figure BDA0002667547090000304
指的是干涉条纹与体全息衍射光栅的表面形成的角度。干涉条纹是从体全息衍射光栅的内部到表面形成的。干涉条纹满足布拉格条件。反射型体全息衍射光栅中的布拉格条件指的是满足下式(A)的条件。在式(A)中，m为正整数，λ为波长，d为晶格面的间距(包括干涉条纹的假想平面的法线方向上的距离)，Θ为入射到干涉条纹的角度的余角。此外，当光以入射角ψ进入衍射光栅部件时，Θ、倾斜角
Figure BDA0002667547090000301
和入射角ψ之间的关系如式(B)中所示。
m·λ＝2·d·sin(Θ) (A)
Figure BDA0002667547090000302
从而，第一A偏转部件31和第二A偏转部件41部分交叠，从而可以可靠地防止在图像的中央部分处产生割裂线。
此外，通过选择间距d，以致第一A偏转部件31和第二A偏转部件41中的衍射角的范围与第一C偏转部件33和第二C偏转部件43中的衍射角的范围交叠，将第一A偏转部件31和第二A偏转部件41的间距d设定为相等，将第一B偏转部件32和第二B偏转部件42的间距d设定为相等，将第一C偏转部件33和第二C偏转部件43的间距d设定为相等，并使第一A偏转部件31和第二A偏转部件41的衍射角的范围与第一C偏转部件33和第二C偏转部件43的衍射角的范围交叠，可以提高衍射效率。
除了以上几点，第二实施例的光学装置、图像显示装置和显示设备的构成和结构可类似于第一实施例的光学装置、图像显示装置和显示设备的构成和结构，从而省略其详细说明。
第三实施例
第三实施例是第一和第二实施例的变形例。从上方看的第三实施例的光学装置的示意图如图5B中所示，第一A偏转部件31和第一B偏转部件32层叠，并且第二A偏转部件41和第二B偏转部件42层叠。此外，在图解所示的例子中，类似于第二实施例，从图像形成装置60出射并入射到第一A偏转部件31的光的一部分进入第二A偏转部件41。即，第一A偏转部件31和第二A偏转部件41部分交叠。通过第一A偏转部件31和第一B偏转部件32，并由第二A偏转部件41衍射和反射的光不满足第一A偏转部件31和第一B偏转部件32中的布拉格条件，从而在第一A偏转部件31和第一B偏转部件32中不被衍射和反射。即，通过某个偏转部件的光在该光进入的其他偏转部件中，如果满足布拉格条件，则被衍射和反射，而如果不满足布拉格条件，则不被衍射和反射。
除了以上几点，第三实施例的光学装置、图像显示装置和显示设备的构成和结构可类似于第一及第二实施例的光学装置、图像显示装置和显示设备的构成和结构，从而省略其详细说明。
注意，也可以提供以下形式，其中第一B偏转部件32和第一C偏转部件33被层叠，并且第二B偏转部件42和第二C偏转部件43被层叠，或者其中第一A偏转部件31、第一B偏转部件32和第一C偏转部件33被层叠，并且第二A偏转部件41、第二B偏转部件42和第二C偏转部件43被层叠。
尽管上面基于有利实施例说明了本公开，不过本公开并不局限于这些实施例。记载在实施例中的显示设备(头戴式显示器)、图像显示装置和光学装置的构成和结构是示例性的，可被适当地改变。偏转部件也可以是反射型闪耀衍射光栅元件。此外，本公开的显示设备也可以用作立体显示设备。这种情况下，如有必要，可以将偏振板或偏振膜可拆卸地附着到光学装置，或者可以将偏振板或偏振膜粘贴到光学装置。图像显示装置可包括调光器。即，光学装置可以与调光器的至少一部分交叠。更具体地，有利的是光学装置的至少第一C偏转部件等与调光器交叠。
在一个体全息衍射光栅的材料上，可以形成第一A偏转部件等和第一B偏转部件等；可以形成第一A偏转部件等和第一C偏转部件等；可以形成第一B偏转部件等和第一C偏转部件等；或者可以形成第一A偏转部件等、第一B偏转部件等、第一C偏转部件等和第一B偏转部件等。全息区域可以通过使用压印方法或蚀刻方法在导光板上形成。
在实施例中，图像形成装置60被描述为显示单一颜色(例如，绿色)的图像，不过，图像形成装置60也可以显示彩色图像。这种情况下，例如，光源只需要由出射红光、绿光和蓝光每一种的光源组成。具体地，例如，通过利用光管，可以混合分别从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件出射的红光、绿光和蓝光，并使亮度均匀，以获得白光。如在图12A的光学装置的概念图中所示，可以采用以下结构，其中：在第一导光板上布置均由用于衍射并反射具有红色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31R、第一B偏转部件等32R和第一C偏转部件等33R；在第二导光板上布置均由用于衍射具有绿色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅形成的第一A偏转部件等31G、第一B偏转部件等32G和第一C偏转部件等33G；在第三导光板上布置均由用于衍射具有蓝色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31B、第一B偏转部件等32B和第一C偏转部件等33B；并且第一、第二和第三导光板在它们之间存在间隙的情况下层叠。或者，如在图12B的光学装置的概念图中所示，可以采用以下结构，其中：在第一导光板的一个表面上，布置均由用于衍射并反射具有红色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31R、第一B偏转部件等32R和第一C偏转部件等33R；在第一导光板的另一个表面上，布置均由用于衍射具有绿色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31G、第一B偏转部件等32G和第一C偏转部件等33G；在第二导光板上布置均由用于衍射具有蓝色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31B、第一B偏转部件等32B和第一C偏转部件等33B；并且第一和第二导光板在它们之间存在间隙的情况下层叠。或者，如在图12C的光学装置的概念图中所示，可以采用以下结构，其中：在第一导光板的一个表面上，布置均由用于衍射具有绿色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31G、第一B偏转部件等32G和第一C偏转部件等33G；在第一A偏转部件等31G、第一B偏转部件等32G和第一C偏转部件等33G上，层叠均由用于衍射并反射具有红色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31R、第一B偏转部件等32R和第一C偏转部件等33R；在第一导光板的另一个表面上，布置均由用于衍射具有蓝色波段(或波长)的光的体全息衍射光栅的衍射光栅层形成的第一A偏转部件等31B、第一B偏转部件等32B和第一C偏转部件等33B。
或者，可以如下参考图13A、13B、13C、13D、13E、13F、13G和13H所述，修改记载在第一实施例中的光学装置的变形例的概念图。即，如图13A中所示，由透射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31a可以布置在导光板的第一表面上，均由反射型体全息衍射光栅构成的第一B偏转部件等32b和第一C偏转部件等33b可以布置在导光板的第二表面上。或者，如图13B中所示，均由透射型体全息衍射光栅构成的第一B偏转部件等32a和第一C偏转部件等33a可以布置在导光板的第一表面上，由反射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31b可以布置在导光板的第二表面上。或者，如图13C中所示，均由透射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31a、第一B偏转部件等32a和第一C偏转部件等33a可以布置在导光板的第一表面上。或者，如图13D中所示，由透射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31a可以布置在导光板的第一表面上，均由反射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31b、第一B偏转部件等32b和第一C偏转部件等33b可以布置在导光板的第二表面上。或者，如图13E中所示，均由透射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31a、第一B偏转部件等32a和第一C偏转部件等33a可以布置在导光板的第一表面上，由反射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31b可以布置在导光板的第二表面上。或者，如图13F中所示，均由透射型体全息衍射光栅构成的第一B偏转部件等32a和第一C偏转部件等33a可以布置在导光板的第一表面上，均由反射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31b、第一B偏转部件等32b和第一C偏转部件等33b可以布置在导光板的第二表面上。或者，如图13G中所示，均由透射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31a、第一B偏转部件等32a和第一C偏转部件等33a可以布置在导光板的第一表面上，均由反射型体全息衍射光栅构成的第一B偏转部件等32b和第一C偏转部件等33b可以布置在导光板的第二表面上。或者，如图13H中所示，均由透射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31a、第一B偏转部件等32a和第一C偏转部件等33a可以布置在导光板的第一表面上，均由反射型体全息衍射光栅构成的第一A偏转部件等31b、第一B偏转部件等32b和第一C偏转部件等33b可以布置在导光板的第二表面上。
注意，本公开也可以具有以下构成。
[A01]<显示设备>
一种光学装置，从图像形成装置出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括：
导光板；
第一偏转单元；和
第二偏转单元，其中
第一偏转单元包括第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件，
第二偏转单元包括第二A偏转部件、第二B偏转部件和第二C偏转部件，
从图像形成装置出射的光的一部分进入第一A偏转部件，
入射到第一A偏转部件的光被第一A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一B偏转部件，被第一B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一C偏转部件，被第一C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射。
从图像形成装置出射的光的至少剩余部分进入第二A偏转部件，
入射到第二A偏转部件的光被第二A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二B偏转部件，被第二B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二C偏转部件，被第二C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射，和
假定当被第一A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第一方向，并且当被第二A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第二方向，第一方向与第二方向相反。
[A02]按照[A01]的光学装置，其中
假定
导光板上的从图像形成装置的图像形成区域的中心点出射的光与导光板碰撞的点为原点，
通过原点并指向第一方向的导光板的轴线为X轴，
通过原点的导光板的厚度方向的轴为Z轴，和
与X轴和Z轴正交的轴为Y轴，
第一偏转单元和第二偏转单元对称于YZ平面布置。
[A03]按照[A01]或[A02]的光学装置，其中
第一A偏转部件和第二A偏转部件均包括体全息衍射光栅，且满足
kX 1-A+kX 2-A＝0,
kY 1-A＝kY 2-A，和
kZ 1-A＝kZ 2-A，
其中
第一A偏转部件的波矢量为kv 1-A，
kv 1-A的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-A、kY 1-A和kZ 1-A，第二A偏转部件的波矢量为kv 2-A，且
kv 2-A的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-A、kY 2-A和kZ 2-A。[A04]按照[A03]的光学装置，其中
第一C偏转部件和第二C偏转部件均包括体全息衍射光栅，且满足
kX 1-C+kX 2-C＝0,
kY 1-C＝kY 2-C，和
kZ 1-C＝kZ 2-C，
其中
第一C偏转部件的波矢量为kv 1-C，
kv 1-C的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-C、kY 1-C和kZ 1-C，第二C偏转部件的波矢量为kv 2-C，且
kv 2-C的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-C、kY 2-C和kZ 2-C。[A05]按照[A04]的光学装置，其中
第一B偏转部件和第二B偏转部件均包括体全息衍射光栅，且满足
kX 1-B+kX 2-B＝0,
kY 1-B＝kY 2-B，和
kZ 1-B＝kZ 2-C，
其中
第一B偏转部件的波矢量为kv 1-B，
kv 1-B的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 1-B、kY 1-B和kZ 1-B，第二B偏转部件的波矢量为kv 2-B，且
kv 2-B的X分量、Y分量和Z分量分别为kX 2-B、kY 2-B和kZ 2-B。[A06]按照[A05]的光学装置，其中满足
kv 1-A+kv 1-B+kv 1-C＝0，和
kv 2-A+kv 2-B+kv 2-C＝0。
[A07]按照[A01]-[A06]任意之一的光学装置，其中
从图像形成装置出射，并进入第一A偏转部件的光的一部分进入第二A偏转部件。
[A08]按照[A07]的光学装置，其中
第一A偏转部件和第二A偏转部件部分交叠。
[A09]按照[A01]-[A08]任意之一的光学装置，其中
第一A偏转部件和第一B偏转部件层叠，
并且第二A偏转部件和第二B偏转部件层叠。
[A10]按照[A01]-[A09]任意之一的光学装置，其中
第一A偏转部件、第一B偏转部件和第一C偏转部件均包括体全息衍射光栅，并且满足
η1-B/η1-A<1，和
η1-C/η1-A<1
其中
对于从图像形成装置出射的光，
第一A偏转部件的平均衍射效率为η1-A，
第一B偏转部件的平均衍射效率为η1-B，和
第一C偏转部件的平均衍射效率为η1-C，且
第二A偏转部件、第二B偏转部件和第二C偏转部件均包括体全息衍射光栅，并且满足
η2-B/η2-A<1，和
η2-C/η2-A<1
其中
对于从图像形成装置出射的光，
第二A偏转部件的平均衍射效率为η2-A，
第二B偏转部件的平均衍射效率为η2-B，和
第二C偏转部件的平均衍射效率为η2-C。
[B01]<图像显示装置>
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出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括按照[A01]-[A10]任意之一的光学装置。
[C01]<显示设备>
一种显示设备，包括：
配戴在观察者的头部的框架；和
附接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出射的光入射到所述光学装置，在所述光学装置中光被引导，并且光从所述光学装置出射，所述光学装置包括按照[A01]-[A10]任意之一的光学装置。
附图标记列表
10 光学装置
11 图像显示装置
20 导光板
21 导光板的第一表面
22 导光板的第二表面
23 支撑部件
31 第一A偏转部件
32 第一B偏转部件
33 第一C偏转部件
41 第二A偏转部件
42 第二B偏转部件
43 第二C偏转部件
50 框架
51 前部部分
51' 边框
51" 鼻托
52 铰链
53 脚丝部分
54 脚套部分
55 配线(信号线、电源线等)
56 耳机部分
57 耳机部分配线
58 控制装置(控制电路、控制单元)
60,60A,60B,60C 图像形成装置
70 外壳
71 光源
72 偏振分束器(PBS)
73 液晶显示器(LCD)
74 有机EL显示装置
75 有机EL显示装置
76 凸透镜
81 光源
82 准直光学系统
83 全反射镜
84 扫描装置
85 中继光学系统
90 观察者的瞳孔

Claims (12)

1.一种光学装置，从图像形成装置出射的光入射到所述光学装置，所述光在所述光学装置中被引导，并且所述光从所述光学装置出射，所述光学装置包括：
导光板；
第一偏转单元；以及
第二偏转单元，其中
第一偏转单元包括第一A偏转部件、第一B偏转部件以及第一C偏转部件，
第二偏转单元包括第二A偏转部件、第二B偏转部件以及第二C偏转部件，
从图像形成装置出射的光的一部分进入第一A偏转部件，
入射到第一A偏转部件的光被第一A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一B偏转部件，被第一B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一C偏转部件，被第一C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射，
从图像形成装置出射的光的至少剩余部分进入第二A偏转部件，
入射到第二A偏转部件的光被第二A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二B偏转部件，被第二B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二C偏转部件，被第二C偏转部件偏转，并朝观察者的所述瞳孔出射，使得由第一C偏转部件偏转并朝所述瞳孔出射的光与由第二C偏转部件偏转并朝所述瞳孔出射的光形成合成图像，以及
假定当将被第一A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第一方向，并且当将被第二A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第二方向，第一方向与第二方向相反。
2.按照权利要求1所述的光学装置，其中
假定
导光板上的从图像形成装置的图像形成区域的中心点出射的光与导光板碰撞的点为原点，
通过原点并指向第一方向的导光板的轴线为X轴，
通过原点的导光板的厚度方向上的轴为Z轴，以及
与X轴和Z轴正交的轴为Y轴，
第一偏转单元和第二偏转单元对称于YZ平面地布置。
3.按照权利要求1所述的光学装置，其中
第一A偏转部件和第二A偏转部件各自包括体全息衍射光栅，且满足
kX 1-A+kX 2-A＝0,
kY 1-A＝kY 2-A，以及
kZ 1-A＝kZ 2-A，
其中
第一A偏转部件的波矢量为kv 1-A，
kv 1-A的X分量、Y分量以及Z分量分别为kX 1-A、kY 1-A和kZ 1-A，
第二A偏转部件的波矢量为kv 2-A，且
kv 2-A的X分量、Y分量以及Z分量分别为kX 2-A、kY 2-A以及kZ 2-A。
4.按照权利要求3所述的光学装置，其中
第一C偏转部件和第二C偏转部件各自包括体全息衍射光栅，且满足
kX 1-C+kX 2-C＝0,
kY 1-C＝kY 2-C，以及
kZ 1-C＝kZ 2-C，
其中
第一C偏转部件的波矢量为kv 1-C，
kv 1-C的X分量、Y分量以及Z分量分别为kX 1-C、kY 1-C以及kZ 1-C，
第二C偏转部件的波矢量为kv 2-C，且
kv 2-C的X分量、Y分量以及Z分量分别为kX 2-C、kY 2-C以及kZ 2-C。
5.按照权利要求4所述的光学装置，其中
第一B偏转部件和第二B偏转部件各自包括体全息衍射光栅，且满足
kX 1-B+kX 2-B＝0,
kY 1-B＝kY 2-B，以及
kZ 1-B＝kZ 2-C，
其中
第一B偏转部件的波矢量为kv 1-B，
kv 1-B的X分量、Y分量以及Z分量分别为kX 1-B、kY 1-B以及kZ 1-B，
第二B偏转部件的波矢量为kv 2-B，且
kv 2-B的X分量、Y分量以及Z分量分别为kX 2-B、kY 2-B以及kZ 2-B。
6.按照权利要求5所述的光学装置，其中满足
kv 1-A+kv 1-B+kv 1-C＝0，和
kv 2-A+kv 2-B+kv 2-C＝0。
7.按照权利要求1所述的光学装置，其中
从图像形成装置出射并进入第一A偏转部件的光的一部分进入第二A偏转部件。
8.按照权利要求7所述的光学装置，其中
第一A偏转部件和第二A偏转部件部分地交叠。
9.按照权利要求1所述的光学装置，其中
第一A偏转部件和第一B偏转部件层叠，以及
第二A偏转部件和第二B偏转部件层叠。
10.按照权利要求1所述的光学装置，其中
第一A偏转部件、第一B偏转部件以及第一C偏转部件均包括体全息衍射光栅，并且满足
η1-B/η1-A<1，和
η1-C/η1-A<1
其中
对于从图像形成装置出射的光，
第一A偏转部件的平均衍射效率为η1-A，
第一B偏转部件的平均衍射效率为η1-B，以及
第一C偏转部件的平均衍射效率为η1-C，且
第二A偏转部件、第二B偏转部件以及第二C偏转部件均包括体全息衍射光栅，并且满足
η2-B/η2-A<1，以及
η2-C/η2-A<1
其中
对于从图像形成装置出射的光，
第二A偏转部件的平均衍射效率为η2-A，
第二B偏转部件的平均衍射效率为η2-B，以及
第二C偏转部件的平均衍射效率为η2-C。
11.一种图像显示装置，包括：
图像形成装置；和
光学装置，从图像形成装置出射的光入射到所述光学装置，所述光在所述光学装置中被引导，并且所述光从所述光学装置出射，所述光学装置包括：
导光板；
第一偏转单元；以及
第二偏转单元，其中
第一偏转单元包括第一A偏转部件、第一B偏转部件以及第一C偏转部件，
第二偏转单元包括第二A偏转部件、第二B偏转部件以及第二C偏转部件，
从图像形成装置出射的光的一部分进入第一A偏转部件，
入射到第一A偏转部件的光被第一A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一B偏转部件，被第一B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一C偏转部件，被第一C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射，
从图像形成装置出射的光的至少剩余部分进入第二A偏转部件，
入射到第二A偏转部件的光被第二A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二B偏转部件，被第二B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二C偏转部件，被第二C偏转部件偏转，并朝观察者的所述瞳孔出射，使得由第一C偏转部件偏转并朝所述瞳孔出射的光与由第二C偏转部件偏转并朝所述瞳孔出射的光形成合成图像，以及
假定当将被第一A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第一方向，并且当将被第二A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第二方向，第一方向与第二方向相反。
12.一种显示设备，包括：
配戴在观察者的头部的框架；和
附接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，从图像形成装置出射的光入射到所述光学装置，所述光在所述光学装置中被引导，并且所述光从所述光学装置出射，所述光学装置包括：
导光板；
第一偏转单元；以及
第二偏转单元，其中
第一偏转单元包括第一A偏转部件、第一B偏转部件以及第一C偏转部件，
第二偏转单元包括第二A偏转部件、第二B偏转部件以及第二C偏转部件，
从图像形成装置出射的光的一部分进入第一A偏转部件，
入射到第一A偏转部件的光被第一A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一B偏转部件，被第一B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第一C偏转部件，被第一C偏转部件偏转，并朝观察者的瞳孔出射，
从图像形成装置出射的光的至少剩余部分进入第二A偏转部件，
入射到第二A偏转部件的光被第二A偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二B偏转部件，被第二B偏转部件偏转，通过导光板内部的全反射进入第二C偏转部件，被第二C偏转部件偏转，并朝观察者的所述瞳孔出射，使得由第一C偏转部件偏转并朝所述瞳孔出射的光与由第二C偏转部件偏转并朝所述瞳孔出射的光形成合成图像，以及
假定当将被第一A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第一方向，并且当将被第二A偏转部件偏转的光的传播方向正投影到导光板时获得的方向是第二方向，第一方向与第二方向相反。
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