CN113614616A - 图像显示装置、图像显示方法和头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

根据本技术的实施方式的图像显示设备(100)设置有第一光学元件(20)和第二光学元件(30)。具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时入射在第一光学元件(20)上。第三光线和第四光线入射在第二光学元件(30)上，第三光线是从第一光学元件(20)发射的并与第一光线相对应，第四光线是从第一光学元件(20)以与第三光线的角度不同的角度发射的并与第二光线(30)相对应。第二光学元件(30)将第三光线和第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

Description

图像显示装置、图像显示方法和头戴式显示器

技术领域

本技术涉及视网膜扫描型的图像显示装置、图像显示方法和头戴式显示器。

背景技术

近年来，已经开发了视网膜扫描型的图像显示装置。例如，专利文献1公开了如下头戴式显示器，其包括扫描具有不同波长的多个光线的扫描镜和具有多层结构的全息透反射器，该多层结构以取决于其波长的角度反射由扫描镜扫描的多个光线中的每一个。描述了由于采用这种配置每个光线都射向不同的瞳孔位置，因此放大了眼盒(eye-box)。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开第2016-517036号

发明内容

技术问题

在专利文献1中描述的技术中，对于每个光线扫描镜的扫描角度不同，扫描镜使具有每个波长的光线通过每层的全息透反射器会聚在瞳孔处以具有相同的视角(进入瞳孔时的角度)。因此，需要单独调整具有每个波长的光线的调制时序，使得具有各个波长的光线所形成的图像在不同的瞳孔位置处彼此匹配，以例如在另一光线的输出衰减(或停止)的情况下绘制一个光线所形成的图像的部分区域。因此，需要以根据每个瞳孔位置的方式来改变用于图像生成的每个光源的调制时序，这使得图像生成处理变得复杂。

鉴于上述情况，本技术的目的是提供一种图像显示装置、图像显示方法和头戴式显示器，通过该图像显示装置、图像显示方法和头戴式显示器可以在不需要根据瞳孔位置调制光源的情况下放大眼盒。

问题的解决方案

根据本技术的实施方式的图像显示装置包括第一光学元件和第二光学元件。

具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时进入第一光学元件。

第三光线和第四光线进入第二光学元件，第三光线是从第一光学元件发射的并与第一光线相对应，第四光线是从第一光学元件以与第三光线的角度不同的角度发射的并与第二光线相对应。第二光学元件将第三光线和第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

根据图像显示装置，第一光线和第二光线在第一光学元件上的入射位置或入射角与从第二光学元件发射的第三光线和第四光线的视角之间的关系相同。因此，在不需要对第一光线和第二光线进行调制的情况下，可以将第三光线和第四光线会聚在不同的瞳孔位置处。

第一光学元件包括至少一个光学元素，所述至少一个光学元素将第一光线与第二光线准直，将第一光线偏转为第三光线，并且将第二光线偏转为第四光线。

第一光线和第二光线可以具有彼此不同的波长。在这种情况下，第一光学元件和第二光学元件可以包括具有波长选择性的光学元素。

第一光线和第二光线可以具有彼此不同的偏振特性。在这种情况下，第一光学元件和第二光学元件可以包括具有偏振选择性的光学元素。

光学元素可以是反射性的。

第一光学元件和第二光学元件可以是全息透镜。

第一光学元件和第二光学元件可以包括第一偏转反射层和第二偏转反射层。第一偏转反射层对第一光线具有偏转选择性，并且第二偏转反射层对第二光线具有偏转选择性。

第一光学元件可以包括下述光学元素，具有与第一光线和第二光线的光学特性不同的光学特性的第五光线进入该光学元素，并且该光学元素使与第五光线相对应的第六光线以与第三光线和第四光线的角度不同的角度发射。在这种情况下，第二光学元件包括偏转透镜元件，该偏转透镜元件将第三光线、第四光线和第六光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

图像显示装置还可以包括光学引擎，该光学引擎以预定的定时向第一光学元件发射第一光线和第二光线。

光学引擎可以包括第一光源和第二光源。

第一光源发射具有第一波长作为中心波长的激光光线作为第一光线。

第二光源发射具有与第一波长不同的第二波长作为中心波长的激光光线作为第二光线。

第一波长与第二波长之间的差可以为50nm或更小。

光学引擎可以包括发射具有偏振特性的单波长激光光线的光源，单波长激光光线能够被第一光学元件划分成第一偏振分量和第二偏振分量。

第一偏振分量和第二偏振分量可以是彼此正交的线偏振光线或者可以是彼此旋转方向相反的圆偏振光线。

光学引擎可以包括扫描镜，该扫描镜将第一光线和第二光线扫描到第一光学元件上。

图像显示装置还可以包括光传输构件，该光传输构件将第三光线和第四光线从第一光学元件传输至第二光学元件。

根据本技术的另一实施方式的图像显示装置包括第一光学元件和第二光学元件。

第一光学元件包括以取决于入射角的方式以不同角度衍射每个入射光线的多个光学元素。

从第一光学元件分别以不同角度发射的多个衍射光线进入第二光学元件，并且第二光学元件将多个衍射光线中的每一个会聚在不同的瞳孔位置处。

根据本技术的图像显示方法包括：

使具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时进入第一光学元件，从而形成第三光线和第四光线，第三光线是从第一光学元件发射的并与第一光线相对应，第四光线是从第一光学元件以与第三光线的角度不同的角度发射的并与第二光线相对应；以及

使第三光线和第四光线进入第二光学元件，从而将第三光线和第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

根据本技术的实施方式的一种头戴式显示器包括光学引擎、第一光学元件和显示单元。

光学引擎发射具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线。

第一光线和第二光线同时进入第一光学元件。

显示单元包括第二光学元件，第三光线和第四光线进入该第二光学元件，并且该第二光学元件将第三光线和第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处，第三光线是从第一光学元件发射的并与第一光线相对应，第四光线是从第一光学元件以与第三光线的角度不同的角度发射的并与第二光线相对应。

本发明的有益效果

根据本技术，可以在不需要取决于瞳孔位置调制光源的情况下放大眼盒。

应当注意，此处描述的效果不一定是限制性的，并且可以提供本公开内容中描述的任何效果。

附图说明

[图1]图1是示出根据本技术的第一实施方式的图像显示装置的示意配置图。

[图2]图2是描述图像显示装置中的第一光学元件的衍射特性的图。

[图3]图3是示出投射到眼球上的每个再现图像光线的光斑位置的示例的示意图。

[图4]图4是示出根据比较示例的图像显示装置的示意配置图。

[图5]图5是根据本技术的实施方式的整体头戴式显示器的立体图。

[图6]图6是示出根据本技术的第二实施方式的图像显示装置的示意配置图。

[图7]图7是描述图像显示装置中的第一光学元件的衍射特性的图。

[图8]图8是示出投射到眼球上的每个再现图像光线的光斑位置的另一示例的示意图。

[图9]图9是示出投射到眼球上的每个再现图像光线的光斑位置的又一示例的示意图。

[图10]图10是示出根据本技术的第三实施方式的图像显示装置的示意配置图。

[图11]图11是示出根据本技术的第四实施方式的图像显示装置的示意配置图。

[图12]图12是示出从图像显示装置中的光学引擎发射的光线的偏转特性的示例的说明图。

[图13]图13是示出从图像显示装置中的光学引擎发射的光线的偏转特性的另一示例的说明图。

[图14]图14是示出根据本技术的第五实施方式的图像显示装置的示意配置图。

[图15]图15是描述图像显示装置中的第一光学元件的衍射特性的图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述根据本技术的实施方式。

<第一实施方式>

图1是示出根据本技术的第一实施方式的图像显示装置100的示意配置图。

[整体配置]

如图1所示，根据本实施方式的图像显示装置100是视网膜扫描型的图像显示装置，其经由第一光学元件20和第二光学元件21将从光学引擎10发射的用于图像形成的光线投射到观察者眼球E上的不同瞳孔位置上。

图像显示装置100包括第一光学元件20和第二光学元件30。具有彼此不同的光学特性的光线L1(第一光线)和光线L2(第二光线)同时进入第一光学元件20。光线L1’(第三光线)和光线L2’(第四光线)进入第二光学元件30，光线L1’与光线L1相对应的并且是从第一光学元件20发射的，光线L2’与光线L2相对应并且是从第一光学元件20以与光线L1’的角度不同的角度发射的。第二光学元件30将光线L1’和光线L2’会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

(光学引擎)

光学引擎10包括发射光线L1的第一光源11和发射光线L2的第二光源12。激光二极管用于第一光源11和第二光源12。在本实施方式中，第一光源11发射波长为λ1(第一波长)作为中心波长的激光光线作为光线L1，并且第二光源12发射波长为与具有与λ1不同的波长λ2(第二波长)作为中心波长的激光光线作为光线L2。选择比波长λ1长的波长作为波长λ2，但不限于此。可以选择更短的波长。

光线L1和光线L2可以是连续激光光线或者可以是脉冲激光光线。波长λ1和波长λ2没有特别限制，只要是可见光的波长即可，例如可以采用红色、蓝色、绿色或其他颜色的波长。特别地，为了放大眼盒，波长λ1和波长λ2最好是颜色彼此类似的波长。因此，可以向观察者呈现不依赖于瞳孔位置的固定颜色的图像。

在本实施方式中，波长λ1和波长λ2两者均采用红色的波长范围(约600nm至780nm)中的任意两个波长。波长λ1与波长λ2之间的差值没有特别限制，但鉴于图像的颜色根据瞳孔位置而变化的事实，该差值优选为例如50nm或更小。

光学引擎10还包括在第一光学元件20上组合光线L1和光线L2的分色镜14以及扫描光线L1和光线L2的扫描镜15。

分色镜14是反射光线L1并允许光线L2穿过其中从而组合光线L1和光线L2的光学元素。扫描镜15例如是通过使用微机电系统(MEMS)技术制作的MEMS器件并且对光线L1和光线L2进行多维扫描，从而形成投射到观察者的眼球E上的二维或三维图像。图像的类型没有特别限制并且通常包括字符、符号、图形等。

光学引擎10基于来自控制器(未示出)的命令来控制第一光源11、第二光源12和扫描镜15的驱动。

应当注意，光学引擎10不限于以上示例，并且例如，可以采用使用空间光调制器(SLM)的计算机生成全息图(CGH)光学系统作为光学引擎10。此外，尽管光学引擎10通常被配置成同时发射光线L1和光线L2以用于放大眼盒，但是光学引擎10可以被配置成在执行眼球追踪控制以跟随眼球E的瞳孔位置并投射图像光的情况下仅发射光线L1和光线L2中的任意一个。简而言之，光学引擎10可以被配置成仅在预定定时(例如执行显示模式以放大眼框的定时)处同时发射光线L1和光线L2。

(第一光学元件)

第一光学元件20包括至少一个光学元素，所述至少一个光学元素将光线L1和光线L2准直，将光线L1偏转为光线L1’，并且将光线L2偏转为光线L2’。在本实施方式中，第一光学元件20是选择性地衍射光线L1和光线L2中的每一个的全息透镜。

第一光学元件20由层压膜构成，该层压膜包括光线L1进入其并发射光线L1’的偏转反射层21(第一偏转反射层)以及光线L2进入其并发射光线L2’的偏转反射层22(第二偏转反射层)。即，偏转反射层21对光线L1具有偏转选择性，并且偏转反射层22对光线L2具有偏转选择性。

各个偏转反射层21和22的堆叠顺序不限于图中所示的示例，并且可以任意设置。替选地，第一光学元件20可以由具有各个偏转反射层21和22的功能的单个偏转反射层构成。

图2是描述偏转反射层21和偏转反射层22对光线L1和光线L2的衍射特性的图。如图所示，偏转反射层21是具有波长选择性的反射全息图，以对波长为λ1的光线L1提供最高的衍射效率。另一方面，偏转反射层21是具有波长选择性的反射全息图，以对波长为λ2的光线L2提供最高的衍射效率。

应当注意，准直光线L1和光线L2是指执行调整，使得扫描镜15扫描的光线L1和光线L2彼此平行。因此，光线L1和光线L2中的每一个都可以被第一光学元件20以期望的角度稳定地偏振或衍射。例如，在第一光学元件20的表面增加了诸如透镜层的光学元素，以用于光线L1和光线L2的准直。替选地，可以在扫描镜15与第一光学元件20之间的光路上设置诸如准直透镜的其他光学元素。在从光学引擎10到第一光学元件20的光路相对较短并且光线L1和光线L2的会聚(辐射)干扰不成问题的情况下，可以省略这样的准直。

此外，第一光学元件20不限于由这样的具有反射衍射作用的全息透镜构成的示例，并且也可以由具有透射衍射作用的全息透镜构成。尽管全息透镜是具有准直功能和偏转功能的光学元件，但是可以通过组合具有准直功能的设备和具有偏转功能的设备来配置第一光学元件20。

(第二光学元件)

从第一光学元件20发射的光线L1’和从第一光学元件20以与光线L1’的角度不同的角度发射的光线L2’进入第二光学元件30。第二光学元件30包括反射偏转透镜元件，其使光线L1’和光线L2’以取决于波长差的方式分别以不同的角度发射。

第二光学元件30通常设置在观察者的眼睛的前方。在本实施方式中，第二光学元件30由使光线L1’会聚在聚光轴C1上的偏转反射层31和使光线L2’会聚在聚光轴C2上的偏转反射层32的层压膜构成。即，偏转反射层31对光线L1’具有偏转选择性，并且偏转反射层32对光线L2’具有偏转选择性。

各个偏转反射层31和32的堆叠顺序不限于图中所示的示例，并且可以任意设置。替选地，第二光学元件30可以由具有各个偏转反射层31和32的功能的单个偏转反射层构成。

聚光轴C1与聚光轴C2彼此平行并且以取决于光线L1’与光线L2’各自的入射位置之间的差异的方式设置在不同的位置。光线L1’的焦距和光线L2’的焦距彼此相同。聚光轴C1与聚光轴C2之间的距离(偏移量)没有特别限制并且例如为1mm以上且2mm以下。因此，当观察者的瞳孔Ep在聚光轴C1和聚光轴C2的偏移方向上移动时，可以放大作为可以看到图像的范围的眼框。

聚光轴C1和聚光轴C2的偏移方向可以是从观察者的眼球E观察的水平方向并且也可以是从观察者的眼球E观察的竖直方向。例如，在图像显示装置100应用于稍后描述的头戴式显示器(参照图5)的情况下，可以考虑显示单元的形状、安装的位移方向等来确定聚光轴C1和聚光轴C2的偏移方向。在图1所示的示例中，使聚光轴C1和聚光轴C2偏移以在眼球E的水平方向(X轴方向)上偏离。

第二光学元件30由具有波长选择性的半透明全息组合器透镜构成。偏转反射层31具有与第一光学元件20中的偏转反射层21相同的衍射特性。偏转反射层32具有与第一光学元件20中的偏转反射层22相同的衍射特性。由于第二光学元件30被配置为组合器透镜，因此分别由光线L1’和光线L2’形成的图像被投射重叠通过第二光学元件30观察到的外部视野。

[图像显示方法]

接下来，将描述根据本实施方式的图像显示装置100的典型操作。

图像显示装置100使具有彼此不同光学特性的光线L1(第一光线)和光线L2(第二光线)同时进入第一光学元件20，从而形成光线L1’(第三光线)和光线L2’(第四光线)，光线L1’是从第一光学元件20发射的并与光线L1相对应，光线L2’是从第一光学元件20以与光线L1’的角度不同的角度发射的并与光线L2相对应。图像显示装置100使光线L1’和光线L2’进入第二光学元件30，从而将光线L1’和光线L2’会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

光学引擎10同时将从第一光源11发射的光线L1和从第二光源12发射的光线L2发射至第一光学元件20，同时扫描镜15扫描这些光线。

光线L1和光线L2同时进入第一光学元件20中的相同位置。光线L1在第一光学元件20的偏转反射层21上衍射并且作为光线L1’进入第二光学元件30。光线L2在第一光学元件20的偏转反射层22上衍射并且作为光线L2’进入第二光学元件30。光线L1’和光线L2’从第一光学元件20以彼此不同的角度发射，并且因此进入第二光学元件30上的不同位置。

光线L1’和光线L2’在第一光学元件20与第二光学元件30之间的空气(自由空间)中传播。不限于此，光线L1’和光线L2’可以经由设置在第一光学元件20与第二光学元件30之间的光传输构件传输，如稍后将描述的。

第二光学元件30在偏转反射层31处衍射光线L1’，从而将源自光线L1和光线L1’的再现图像光线S1投射到眼球E上。此外，第二光学元件30在偏转反射层32处衍射光线L2’，从而将源自光线L2和光线L2’的再现图像光线S2投射到眼球E上。

图3是示出投射到眼球E上的再现图像光线S1和再现图像光线S2的各自的光斑位置的示意图。图3(A)示出了将再现图像光线S1投射到眼球E的瞳孔Ep上并且将再现图像光线S2投射到眼球E上的与瞳孔Ep的位置不同的位置上的状态。

此时，观察者从第一再现图像光线S1显示的图像中获取信息。当该状态下的瞳孔Ep向图中左侧移动时，从再现图像光线S2显示的图像而不是再现图像光线S1显示的图像中获取信息。再现图像光线S1显示的图像与再现图像光线S2显示的图像两者相同，并且因此对于观察者来说，可以看到图像的范围(眼盒)被放大，并且可以防止由于瞳孔Ep或视线的轻微移动而导致的图像消失。

另一方面，图3(B)示出了再现图像光线S1和再现图像光线S2两者都没有投射到瞳孔Ep上的状态。例如，当观察者将瞳孔Ep在图中(Y轴方向)向上移动预定量或更多时，无法视觉识别由再现图像光线S1和再现图像光线S2显示的图像。以这种方式，根据观察者的视线方向切换图像的显示/不显示。

如上所述，根据依据本实施方式的图像显示装置100，扫描镜15的角度(光线L1与光线L2相对于第一光学元件20的入射位置或入射角)与从第二光学元件30发射的再现图像光线S1和再现图像光线S2的视角之间的关系相同。因此，在不需要对光线L1和光线L2进行调制的情况下，可以将光线L1’(再现图像光线S1)和光线L2’(再现图像光线S2)会聚在不同的瞳孔位置处。在下文中，将在对图4所示的图像显示装置110进行比较时给出描述。

图4是示出根据比较示例的图像显示装置110的示意配置图。根据比较示例的图像显示装置110包括半透明全息组合器透镜40，其将具有彼此不同的波长的两个光线L1和L2分别会聚在观察者的眼球E处作为图像再现光线S1和图像再现光线S2。全息组合器透镜40包括选择性地衍射光线L1从而发射图像再现光线S1的偏转反射层41和选择性地衍射光线L2从而发射再现图像光线S2的偏转反射层42。即，根据比较示例的图像显示装置110在根据本实施方式的图像显示装置100中不包括第一光学元件20，并且被配置成将从光学引擎10发射的光线L1和光线L2直接发射至全息组合器透镜40。

在根据比较示例的图像显示装置110中，由扫描镜扫描的光线L1和光线L2各自在全息组合器透镜40上的照射区域是彼此相同的区域。然而，使被各个偏转反射层41和42会聚在瞳孔Ep处的光线L1和光线L2具有相同视角的扫描镜15的扫描角度对于光线L1和光线L2中的每一个是不同的。因此，如果绘制由一个光线形成的图像的部分区域而另一光线的输出衰减(或停止)，则由另一光线形成的图像的一部分可以同时显示在由一个光线形成的图像中。因此，在根据比较示例的图像显示装置110中，为了使各自波长为L1和L2的光线所形成的图像在不同瞳孔位置处相互匹配，需要单独调整光线L1和光线L2的调制时序，这使得图像生成处理变得复杂。

相比之下，根据本实施方式的图像显示装置100包括第一光学元件20，分别从光学引擎10发射的光线L1和光线L2进入该第一光学元件20，并且第一光学元件20以不同的角度向第二光学元件30发射光线L1和光线L2。因此，光线L1和光线L2在第二光学元件30上的照射区域是彼此不同的区域，但它们具有彼此重叠的区域。因此，扫描镜15的角度(光线L1和光线L2相对于第一光学元件20的入射位置或入射角)与从第二光学元件30发射的光线L1’和光线L2’的视角之间的关系是相同的。

因此，根据本实施方式，在不单独调整各个光线L1和L2的调制时序的情况下，可以使具有各个波长L1和L2的光线所形成的图像在不同的瞳孔位置处相互匹配。因此，可以实现比比较示例更容易放大眼框的图像生成处理。

[应用示例]

图5是包括根据本实施方式的图像显示装置的整体头戴式显示器150的立体图。如图所示，头戴式显示器150包括显示单元151L和显示单元151R以及光学单元151L和光学单元152R以及支承它们的框架单元153。

显示单元151L和显示单元151R是布置在用户(观察者)的眼睛的前方的透光光学元件。显示单元151L面向左眼并且显示单元151R面向右眼。显示单元151L和显示单元151R可以一体地配置或者可以分别被配置为单独的部件。显示单元151L和显示单元151R对应于图像显示装置100中的第二光学元件30。

光学单元152L和光学单元152R是将图像光线发射至显示单元151L和显示单元151R的块。光学单元152L和光学单元152R布置在显示单元151L和显示单元151R的边缘处并且包括与图像显示装置100中的光学引擎10和第一光学元件20相对应的内置光学元素。

关于光学单元152L和光学单元152R，提供它们中的至少一个就足够了。头戴式显示器150被配置成使得再现图像光线从显示单元151L或显示单元151R中的至少一个投射到用户的眼球上。

<第二实施方式>

图6是示出根据本技术的第二实施方式的图像显示装置200的示意配置图。在下文中，将主要描述与第一实施方式的配置不同的配置，将用相似的附图标记表示与第一实施方式的配置相似的配置，并且将省略或简化对其的描述。

根据本实施方式的图像显示装置200中的光学引擎210、第一光学元件220和第二光学元件230的配置与第一实施方式的光学引擎、第一光学元件和第二光学元件的配置不同。在本实施方式中，光学引擎210还包括第三光源13，其发射具有不同于波长λ1和波长λ2的波长λ3(第三波长)作为中心波长的激光光线L3(第五光线)，并且分色镜14被配置成能够组合从第一至第三光源11至13发射的光线L1至L3。

除了偏转反射层21和偏转反射层22之外，第一光学元件220还包括偏转反射层23，从光学引擎10发射的光线L3进入该偏转反射层23。偏转反射层23是反射全息图，其是以不同于光线L1’和光线L2’的角度发射与光线L3相对应的光线L3’(第六光线)的光学元素。

图7是描述第一光学元件220的衍射特性的图。如图所示，偏转反射层23是具有波长选择性的反射全息图，以对波长为λ3的光线L1提供最高的衍射效率。尽管选择比波长λ2长的波长作为波长λ3，但是也可以选择比波长λ1短的波长，或者可以选择波长λ1与波长λ2之间的波长。

各个偏转反射层21至23的堆叠顺序不限于图中所示的示例，并且可以任意设置。此外，第一光学元件220可以由具有各个偏转反射层21至23的功能的单个偏转反射层构成。

除了偏转反射层31和偏转反射层32之外，第二光学元件230还包括用作偏转透镜元件的偏转反射层33，使从第一光学元件220发射的光线L3’会聚在与聚光轴C1和聚光轴C2不同的聚光轴C3上作为再现图像光线S3。

各个偏转反射层31至33的堆叠顺序不限于途中所示的示例，并且可以任意设置。此外，第二光学元件230可以由具有各个偏转反射层31至33的功能的单个偏转反射层构成。

聚光轴C3与聚光轴C1和聚光轴C2平行，并且可以布置在聚光轴C1和聚光轴C2的布置方向或者可以布置在与聚光轴C1和聚光轴C2的布置方向不同的位置处。

图8(A)和(B)是示出眼球E与各个再现图像光线S1、S2或S3的光斑位置之间的关系的图，并且示出了聚光轴C1至聚光轴C3布置在眼球E的水平方向(X轴方向)上的示例。根据本示例，加宽瞳孔Ep在可以识别图像的水平方向上的范围，并且因此可以实现眼盒在水平方向上的放大。

另一方面，图9(A)和(B)是示出眼球E与各个再现图像光线S1、S2或S3的光斑位置之间的关系的图，并且示出了聚光轴C3布置在眼球E的、与聚光轴C1和聚光轴C2的布置方向不同的竖直方向(Y轴方向)上偏移的位置处的示例。根据本示例，可以识别图像的瞳孔Ep的范围不仅可以在水平方向上而且可以在竖直方向上加宽，并且因此可以实现眼框在这些各个方向上的扩大。

从光学引擎10发射的具有不同波长的光线的数目可以是四个。在这种情况下，向第一光学元件和第二光学元件提供对具有每个波长的光线具有波长选择性的四个或更多个偏转反射层可以在任意方向上加宽眼框以具有任意尺寸。

<第三实施方式>

图10是示出根据本技术的第三实施方式的图像显示装置300的示意配置图。在下文中，将主要描述与第一实施方式的配置不同的配置，将用相似的附图标记表示与第一实施方式的配置相似的配置，并且将省略或简化对其的描述。

关于根据本实施方式的图像显示装置300，与第一实施方式的不同之处在于，它包括将光线L1’(第三光线)和光线L2’(第四光线)从第一光学元件20传输至第二光学元件30的光传输构件50。

在本实施方式中，光传输构件50是一体地支承第一光学元件20和第二光学元件30的导光板。光传输构件50包括光线L1和光线L2从光学引擎10进入的第一表面51和支承第一光学元件20和第二光学元件30的第二表面52。光传输构件50由光传输材料例如玻璃和合成树脂材料构成。光传输构件51不限于如图所示的平面形状，并且也可以具有曲面形状。

第一光学元件20和第二光学元件30均经由光传输接合材料接合至光传输构件50的第二表面52。第一光学元件20衍射从第一表面51进入的光线L1和光线L2作为光线L1’和光线L2’。光线L1’和光线L2’在第一表面51上被全反射并且进入第二光学元件30。第二光学元件30衍射光线L1’和光线L2’并且将它们分别会聚在眼球E中的不同瞳孔位置处作为图像再现光线S1和图像再现光线S2。

光线L1’和光线L2’在光传输构件50中的全反射次数不限于一次，并且光线L1’和光线L2’可以被全反射两次或更多次。第二光学元件30可以以取决于光线L1’和光线L2’的路径的方式设置在光传输构件50的第一表面51上。在这种情况下，可以从第二表面52发射图像再现光线S1和图像再现光线S2。

在根据本实施方式的图像显示装置300中，提供共同支承第一光学元件20和第二光学元件30的光传输构件50，并且因此可以提高第一光学元件20和第二光学元件30的安装可靠性并且可以增强提高光学系统的设计的自由度。应当注意，另一光传输构件例如光纤可以用作光传输构件50。

<第四实施方式>

图11是示出根据本技术的第四实施方式的图像显示装置400的示意配置图。在下文中，将主要描述与第一实施方式的配置不同的配置，将用相似的附图标记表示与第一实施方式的配置相似的配置，并且将省略或简化对其的描述。

关于根据本实施方式的图像显示装置400，其与第一实施方式的不同之处在于，第一光学元件420和第二光学元件430由各自具有偏振依赖性的光学元素构成。

光学引擎410具有单个光源411。光源411发射光线L10，该光线L10是具有偏振特性的单波长激光光线，光线L10能够被划分为如图12所示的相互正交的两束线偏振光线L11(第一偏振分量)和L12(第二偏振分量)。光线L10被扫描镜15扫描到第一光学元件420上。

第一光学元件420由具有偏振相关性或偏振选择性的光学元素构成，该光学元件准直光线L0，将一个线偏振分量L11(第一光线)偏转为光线L11’(第三光线)并且将另一线偏振分量L12(第二光线)偏转为光线L12’(第四光线)。即，第一光学元件420具有根据偏振分量将入射光线L0划分成两束光线L11’和L12’的功能。

在本实施方式中，第一光学元件420由偏转反射层421和偏转反射层422的层压构成，偏转反射层421通过选择性衍射线偏振分量L11来发射光线L11’，偏转反射层422通过选择性地衍射线偏振分量L112以与光线L11’不同的角度发射光线L12’。

尽管偏转反射层421和偏转反射层422中的每一个都由反射全息透镜构成，但是也可以由透射全息透镜构成。各个偏转反射层421和422的堆叠顺序不限于图中所示的示例，并且可以任意设置。此外，第一光学元件420可以由具有各个偏转反射层421和422的功能的单个偏转反射层构成。

第二光学元件430由具有偏振相关性或偏振选择性的光学元素(通常为全息组合器透镜)构成，从第一光学元件420发射的光线L11’和光线L12’进入该光学元件并且该光学元件根据偏振特性的差异将光线L11’和光线L12’会聚在彼此不同的瞳孔位置处。在本实施方式中，第二光学元件430由偏转反射层431和偏转反射层432的层压构成，偏转反射层431通过选择性衍射光线L11’来将光线L11’发射到聚光轴C1上作为图像再现光线S11，偏转反射层432通过选择性衍射光线L12’来将光线L12’发射到聚光轴C2上作为图像再现光线S12。

各个偏转反射层431和432的堆叠顺序不限于图中所示的示例，并且可以任意设置。此外，第二光学元件430可以由具有各个偏转反射层431和432的功能的单个偏转反射层构成。

此外，通过根据以上述方式配置的本实施方式的图像显示装置400，可以提供与第一实施方式的动作和效果类似的动作和效果。根据本实施方式，可以通过单个光源411绘制两个再现图像，并且因此可以实现光学引擎410的配置的简化、部件数目的减少等。

应当注意，第一偏振分量和第二偏振分量不限于线偏振光线，并且也可以是方向彼此相反的圆偏振光线。在这种情况下，如图13所示，光源411被配置成发射光线L10c，该光线L10c能够被划分成右旋圆偏振光线L11c和左旋圆偏振光线L12c。在这种情况下，第一光学元件420中的各个偏转反射层421和422以及第二光学元件430中的各个偏转反射层431和432由选择性地衍射这些圆偏振光线L11c和L12c的全息透镜等构成。圆偏振光线L11c和圆偏振光线L12c可以是椭圆偏振光线。

<第五实施方式>

图14是示出根据本技术的第五实施方式的图像显示装置500的示意配置图。在下文中，将主要描述与第一实施方式的配置不同的配置，将用相似的附图标记表示与第一实施方式的配置相似的配置，并且将省略或简化对其的描述。

关于图像显示装置500，根据本实施方式，其与第一实施方式的不同之处在于，第一光学元件520和第二光学元件530由各自具有对光线入射角的相关性的光学元素构成。

光学引擎410具有单个光源411。光源511发射作为单波长激光光线的光线L。光线L被扫描镜15扫描到第一光学元件520上。

第一光学元件520包括多个光学元素，每个光学元素对于入射光线的入射角具有不同的衍射特性。在本实施方式中，第一光学元件520包括多个偏转反射层，当光线L以预定入射角进入偏转反射层时，这些偏转反射层会发射衍射光线，并且偏转反射层的每一个具有不同的光线L的入射角，偏转反射层针对光线L发射衍射光线。偏转反射层的每一个通常由全息透镜层构成。

第一光学元件520包括具有如图15所示的衍射效率的三层偏转反射层521至523。当光线L的入射角为第一角度θ1时，第一偏转反射层521发射衍射光线L51。当光线的入射角为第二角度θ2时，第二偏转反射层522发射衍射光线L52。当光线的入射角为第三角度θ3时，第三偏转反射层523发射衍射光线L53。角度θ1、θ2和θ3是彼此不同的角度。各个角度θ1、θ2和θ3可以是单个角度或者可以包括多个角度。衍射光线L51、衍射光线L52和衍射光线L53中的每一个可以以不同的角度发射。

第二光学元件530由从第一光学元件发射的多条衍射光线进入其并将多条衍射光线会聚在不同的瞳孔位置处的光学元素(通常为全息组合器透镜)构成。

在本实施方式中，第二光学元件530由偏转反射层531至偏转反射层533的层压构成，偏转反射层531至偏转反射层533是使衍射光线L51、衍射光线L52和衍射光线L53中的每一个会聚在预定聚光轴上的三层。第一偏转反射层531使光线L51会聚在聚光轴C1上，第二偏转反射层532使光线L52会聚在聚光轴C2上，并且第三偏转反射层533使光线L53会聚在聚光轴C3上。各个偏转反射层531至533的堆叠顺序不限于图中所示的示例，并且可以任意设置。

同样在根据以上述方式配置的本实施方式的图像显示装置500中，可以获得与第一实施方式的作用和效果类似的作用和效果。根据本实施方式，可以通过单个光源511绘制三个再现图像，并且因此可以实现光学引擎510的配置的简化、部件数目的减少等。

此外，构成第一光学元件520和第二光学元件530的偏转反射层的堆叠次数不限于三层，并且也可以是两层或四层以上。要再现的图像的数目可以通过这些偏转反射层的堆叠次数来任意调整。

<修改示例>

例如，在上述实施方式中，已经例示了可以被配置为头戴式显示器的图像显示装置，但不限于此。本技术还可以应用于诸如平视显示器的另一显示器。

此外，在根据第四实施方式至第六实施方式的图像显示装置的每一个中，光线从第一光学元件到第二光学元件的传播可以通过使用诸如第三实施方式中的导光板的光传输构件来执行。

另外，可以在第一光学元件与第二光学元件之间附加地布置诸如反射镜的光学元素。因此，可以增加第一光学元件和第二光学元件的布置自由度。

应当注意，本技术还可以采用以下配置。

(1)一种图像显示装置，包括：

第一光学元件，具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时射入至所述第一光学元件；以及

第二光学元件，第三光线和第四光线射入至所述第二光学元件，并且所述第二光学元件使所述第三光线和所述第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处，所述第三光线是从所述第一光学元件射出的并与所述第一光线相对应，所述第四光线是从所述第一光学元件以与所述第三光线的角度不同的角度射出的并与所述第二光线相对应。

(2)根据(1)所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件包括至少一个光学元素，所述至少一个光学元素将所述第一光线和所述第二光线准直，将所述第一光线偏转为所述第三光线，并且将所述第二光线偏转为所述第四光线。

(3)根据(2)所述的图像显示装置，其中，

所述第一光线和所述第二光线具有彼此不同的波长，并且

所述第一光学元件和所述第二光学元件包括具有波长选择性的所述光学元素。

(4)根据(2)所述的图像显示装置，其中，

所述第一光线和所述第二光线具有彼此不同的偏振特性，并且

所述第一光学元件和所述第二光学元件包括具有偏振选择性的所述光学元素。

(5)根据(2)至(4)中任一项所述的图像显示装置，其中，

光学元件是反射性的。

(6)根据(2)至(5)中任一项所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件和所述第二光学元件是全息透镜。

(7)根据(1)至(6)中任一项所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件和所述第二光学元件包括第一偏转反射层和第二偏转反射层，并且

所述第一偏转反射层具有针对所述第一光线的偏转选择性，并且所述第二偏转反射层具有针对所述第二光线的偏转选择性。

(8)根据(1)至(7)中任一项所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件包括下述光学元素：具有与所述第一光线和所述第二光线的光学特性不同的光学特性的第五光线射入至所述光学元素，并且所述光学元素使与所述第五光线相对应的第六光线以与所述第三光线和所述第四光线的角度不同的角度射出，并且

所述第二光学元件包括偏转透镜元素，所述偏转透镜元素使所述第三光线、所述第四光线和所述第六光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

(9)根据(1)至(8)中任一项所述的图像显示装置，还包括：

光学引擎，其以预定的定时向所述第一光学元件发射所述第一光线和所述第二光线。

(10)根据(9)所述的图像显示装置，其中，

所述光学引擎包括：

第一光源，其射出具有第一波长作为中心波长的激光作为所述第一光线，以及

第二光源，其射出具有与所述第一波长不同的第二波长作为中心波长的激光作为所述第二光线。

(11)根据(10)所述的图像显示装置，其中，

所述第一波长与所述第二波长之间的差为50nm或更小。

(12)根据(9)所述的图像显示装置，其中，

所述光学引擎包括射出具有下述偏振特性的单波长激光的光源：能够被所述第一光学元件分解成第一偏振分量和第二偏振分量。

(13)根据(12)所述的图像显示装置，其中，

所述第一偏振分量和所述第二偏振分量是彼此正交的线偏振光。

(14)根据(12)所述的图像显示装置，其中，

所述第一偏振分量和所述第二偏振分量是彼此旋转方向相反的圆偏振光。

(15)根据(9)至(14)中任一项所述的图像显示装置，其中，

所述光学引擎包括扫描镜，所述扫描镜在所述第一光学元件上扫描所述第一光线和所述第二光线。

(16)根据(1)至(15)中任一项所述的图像显示装置，还包括：

光传输构件，其将所述第三光线和所述第四光线从所述第一光学元件传输至所述第二光学元件。

(17)一种图像显示装置，包括：

第一光学元件，其包括多个光学元素，每个光学元素具有不同的针对入射光的入射角度的衍射特性；以及

第二光学元件，从所述第一光学元件射出的多个衍射光射入至所述第二光学元件，并且所述第二光学元件使所述多个衍射光会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

(18)一种图像显示方法，包括：

使具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时射入至第一光学元件，从而形成第三光线和第四光线，所述第三光线是从所述第一光学元件射出的并与所述第一光线相对应，所述第四光线是从所述第一光学元件以与所述第三光线的角度不同的角度射出的并与所述第二光线相对应；以及

使所述第三光线和所述第四光线射入至第二光学元件，从而使所述第三光线和所述第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

(19)一种头戴式显示器，包括：

光学引擎，其射出具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线；

第一光学元件，所述第一光线和所述第二光线同时射入至所述第一光学元件；以及

显示单元，其包括第二光学元件，第三光线和第四光线射入至所述第二光学元件，并且所述第二光学元件使所述第三光线和所述第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处，所述第三光线是从所述第一光学元件射出的并与所述第一光线相对应，所述第四光线是从所述第一光学元件以与所述第三光线的角度不同的角度射出的并与所述第二光线相对应。

附图标记列表

10,210,410,510 光学引擎

11 第一光源

12 第二光源

13 第三光源

15 扫描镜

20,220,420,520 第一光学元件

21,22,23,421,422,521 522,523 偏转反射层

31,32,33,431,432,531,532,533 偏转反射层

30,230,430,530 第二光学元件

50 光传输构件

100,200,300,400,500 图像显示装置

150 头戴式显示器

151L,151R 显示单元

C1,C2,C3 聚光轴

E 眼球

L,L1,L1’,L2,L2’,L3,L3’ 光线

Claims (19)

1.一种图像显示装置，包括：

第一光学元件，具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时射入至所述第一光学元件；以及

第二光学元件，第三光线和第四光线射入至所述第二光学元件，并且所述第二光学元件使所述第三光线和所述第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处，所述第三光线是从所述第一光学元件射出的并与所述第一光线相对应，所述第四光线是从所述第一光学元件以与所述第三光线的角度不同的角度射出的并与所述第二光线相对应。

2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件包括至少一个光学元素，所述至少一个光学元素将所述第一光线和所述第二光线准直，将所述第一光线偏转为所述第三光线，并且将所述第二光线偏转为所述第四光线。

3.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中，

所述第一光线和所述第二光线具有彼此不同的波长，并且

所述第一光学元件和所述第二光学元件包括具有波长选择性的所述光学元素。

4.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中，

所述第一光线和所述第二光线具有彼此不同的偏振特性，并且

所述第一光学元件和所述第二光学元件包括具有偏振选择性的所述光学元素。

5.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中，

所述光学元素是反射型的。

6.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件和所述第二光学元件是全息透镜。

7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件和所述第二光学元件包括第一偏转反射层和第二偏转反射层，并且

所述第一偏转反射层具有针对所述第一光线的偏转选择性，并且所述第二偏转反射层具有针对所述第二光线的偏转选择性。

8.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，

所述第一光学元件包括下述光学元素：具有与所述第一光线和所述第二光线的光学特性不同的光学特性的第五光线射入至所述光学元素，并且所述光学元素使与所述第五光线相对应的第六光线以与所述第三光线和所述第四光线的角度不同的角度射出，并且

所述第二光学元件包括偏转透镜元素，所述偏转透镜元素使所述第三光线、所述第四光线和所述第六光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

9.根据权利要求1所述的图像显示装置，还包括：

光学引擎，其以预定的定时向所述第一光学元件射出所述第一光线和所述第二光线。

10.根据权利要求9所述的图像显示装置，其中，

所述光学引擎包括：

第一光源，其射出具有第一波长作为中心波长的激光作为所述第一光线，以及

第二光源，其射出具有与所述第一波长不同的第二波长作为中心波长的激光作为所述第二光线。

11.根据权利要求10所述的图像显示装置，其中，

所述第一波长与所述第二波长之间的差为50nm或更小。

12.根据权利要求9所述的图像显示装置，其中，

所述光学引擎包括射出具有下述偏振特性的单波长激光的光源：能够被所述第一光学元件分解成第一偏振分量和第二偏振分量。

13.根据权利要求12所述的图像显示装置，其中，

所述第一偏振分量和所述第二偏振分量是彼此正交的线偏振光。

14.根据权利要求12所述的图像显示装置，其中，

所述第一偏振分量和所述第二偏振分量是彼此旋转方向相反的圆偏振光。

15.根据权利要求9所述的图像显示装置，其中，

所述光学引擎包括扫描镜，所述扫描镜在所述第一光学元件上扫描所述第一光线和所述第二光线。

16.根据权利要求1所述的图像显示装置，还包括：

光传输构件，其将所述第三光线和所述第四光线从所述第一光学元件传输至所述第二光学元件。

17.一种图像显示装置，包括：

第一光学元件，其包括多个光学元素，每个光学元素具有不同的针对入射光的入射角度的衍射特性；以及

第二光学元件，从所述第一光学元件射出的多个衍射光射入至所述第二光学元件，并且所述第二光学元件使所述多个衍射光会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

18.一种图像显示方法，包括：

使具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线同时射入至第一光学元件，从而形成第三光线和第四光线，所述第三光线是从所述第一光学元件射出的并与所述第一光线相对应，所述第四光线是从所述第一光学元件以与所述第三光线的角度不同的角度射出的并与所述第二光线相对应；以及

使所述第三光线和所述第四光线射入至第二光学元件，从而使所述第三光线和所述第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处。

19.一种头戴式显示器，包括：

光学引擎，其射出具有彼此不同的光学特性的第一光线和第二光线；

第一光学元件，所述第一光线和所述第二光线同时射入至所述第一光学元件；以及

显示单元，其包括第二光学元件，第三光线和第四光线射入至所述第二光学元件，并且所述第二光学元件使所述第三光线和所述第四光线会聚在彼此不同的瞳孔位置处，所述第三光线是从所述第一光学元件射出的并与所述第一光线相对应，所述第四光线是从所述第一光学元件以与所述第三光线的角度不同的角度射出的并与所述第二光线相对应。

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