CN114063299B - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

提供一种虚像显示装置，其能够抑制作为虚像被目视的画面整体的明亮度不均以及颜色不均，提示良好的图像。虚像显示装置具备：图像光生成装置(10)；导光部件(20)，其对从图像光生成装置(10)射出的图像光(IL)进行导光；以及射出侧衍射元件(50)，其设置于导光部件(20)的光射出部(23)，通过衍射而射出图像光(IL)，在射出侧衍射元件(50)中，关于图像光(IL)中的作为中心图像以第一角度射出的第一成分光(ILc)和作为周边图像以第二角度射出的第二成分光(ILa、ILb)，光量差为20％以内。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及向观察者(使用者)提示虚像的虚像显示装置。

背景技术

例如，作为能够用作虚像显示装置的影像显示装置的导光板，已知有在具备体积全息元件的导光光学系统中，在扩大观察者(使用者)能够目视影像(虚像)的区域(眼盒(eye box))时，为了使来自体积全息元件的射出光线强度均匀而使体积全息元件的衍射效率不均匀的导光板(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2020-38316号公报

但是，在专利文献1那样的结构的导光板中，在扩大了视场角的情况下，根据画面内的位置即射出的光的角度，亮度产生偏差，该偏差大时，有可能产生明亮度不均以及颜色不均。

发明内容

本发明的一个侧面的虚像显示装置具备：图像光生成装置；导光部件，其对从所述图像光生成装置射出的图像光进行导光；以及射出侧衍射元件，其设置于所述导光部件的光射出部，通过衍射而射出所述图像光，在所述射出侧衍射元件所形成的眼盒的一端侧，在设所述图像光中的中心图像的光量为100％的情况下，所述图像光中作为所述中心图像以第一角度射出的成分光与作为周边图像以第二角度射出的成分光的光量差为20％以内，在所述眼盒的另一端侧，在设所述中心图像的光量为100％的情况下，所述图像光中作为所述中心图像以所述第一角度射出的成分光与作为所述周边图像以所述第二角度射出的成分光的光量差为20％以内，在设所述眼盒的所述一端侧的所述图像光的光量为100％的情况下，所述一端侧的所述图像光与所述另一端侧的图像光的光量差为20％以内。

附图说明

图1是表示第一实施方式的虚像显示装置的光学结构的概念性俯视图。

图2是用于说明虚像显示装置与观察者(使用者)的眼睛的位置的关系的概念图。

图3是用于对光的射出状况进行说明的概念性俯视图。

图4是用于说明光的偏振状态的概念性立体图。

图5是表示按每个眼睛的位置以及光的方向射出的光量的概念性曲线图。

图6是用于对一个比较例的光的射出状况进行说明的概念性俯视图。

图7是用于对射出的光量进行比较的曲线图。

图8是表示第二实施方式的虚像显示装置的光学结构的概念性俯视图。

图9是表示虚像显示装置的光学结构的另一例的概念性俯视图。

标号说明

10、210：图像光生成装置；20：导光部件；21：光入射部；22：导光部；22a、22b：平面；23：光射出部；30：准直透镜；50：射出侧衍射元件；60：入射侧衍射元件；100、100A、100B、200：虚像显示装置；211：非偏振型显示元件；212：偏振元件；AR1、AR2：区域；AX：光轴；DD：光量差；EB：眼盒；EG1：一端；EG2：另一端；EY、EY1、EY2：眼睛；H1：宽度；HO：体积全息件；IL：图像光；ILa：第一成分光；Ila、ILb：第二成分光；Ila、Ilb、ILc：成分光；ILc1、ILc2：成分光；Qa、Qb、Qc：曲线；RD：表面浮雕衍射光栅；SI：光入射面；SO：光射出面；UP：无偏振的光；US：观察者(佩戴者)；α1～α3：状态；β1：上栏；β2：下栏；φ：射出角度；θ：角度。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，参照附图对本发明的第一实施方式所涉及的虚像显示装置的一个例子进行说明。

图1是作为表示本实施方式的虚像显示装置100的光学结构的概念性的图，表示将图像光IL引导至观察者(使用者或佩戴者)US的眼睛EY的情形的俯视图。在图1中，例示了向观察者US的眼睛EY中的左眼引导图像光IL的情况。

图2是用于对虚像显示装置100与观察者(使用者)的眼睛EY的位置的关系进行说明的概念图。

例如，如图2所示，本实施方式所涉及的虚像显示装置100由左右一对的虚像显示装置100A、100B构成，考虑在佩戴于观察者US的头部的状态下使用。虚像显示装置100通过将图像光IL向左右的眼睛EY(EY1、EY2)引导，作为使观察者US目视虚像的头部佩戴型显示装置发挥功能。其中，关于光学构造，由于左右对称地是同样的构造，所以如图1等所示，关于虚像显示装置100的构造的详细情况，仅示出将图像光IL向左眼侧引导的构造，关于右眼侧省略详细的说明。

此外，虚像显示装置100是不仅能够使观察者US目视虚像，还能够透视地观察外界像的光学装置。

以下，参照图1等，关于虚像显示装置100的构造等说明一例。虚像显示装置100具备图像光生成装置10、准直透镜30、导光部件20、射出侧衍射元件50、以及入射侧衍射元件60，是通过将由图像光生成装置10生成的图像光IL引导至观察者US的眼睛EY而使观察者US目视虚像的光学装置。

此外，在图1等中，X、Y以及Z是正交坐标系，±Z方向表示与沿着图像光生成装置10以及准直透镜30排列的方向的光轴AX(准直透镜30的光轴)平行的方向，±X方向以及±Y方向表示与构成图像光生成装置10的矩形的面板面平行的方向，±X方向与面板面的长边方向平行，±Y方向与短边方向平行。另外，±X方向相当于佩戴时的水平方向，±Y方向相当于佩戴时的垂直方向。即，+X方向与佩戴了虚像显示装置100的观察者US的双眼EY(参照图2)排列的横向对应，+Y方向相当于与对于佩戴者US而言的双眼EY排列的横向正交的上方向，+Z方向相当于对于佩戴者US而言的前方向或者正面方向。另外，关于各方向，例如，也能够理解为±Z方向是与从图像光生成装置10的中心像素射出的图像光IL从导光部件20射出而朝向眼盒EB时的方向平行的方向，±X方向是与例如从图2所示的左眼EY1用的虚像显示装置100A朝向右眼EY2用的虚像显示装置100B的方向平行的方向，±Y方向是与这些±X方向和±Z方向正交的方向。

图像光生成装置10是为了形成与虚像对应的像而射出图像光IL的显示元件(显示设备)，例如由液晶显示器(液晶显示面板)等构成。因此，图像光生成装置10能够为射出向规定的方向偏振的成分光(线偏振光)或者以该线偏振光为主成分光的光作为图像光IL的方式，即，图像光生成装置10成为具有将偏振的光作为图像光IL射出的偏振型显示元件(偏振型显示设备)的结构。特别是，在本实施方式中，图像光IL的偏振的状态是在利用了射出侧衍射元件50中的衍射的光射出中衍射效率低的方向。换言之，图像光生成装置10射出向射出侧衍射元件50中衍射效率低的方向偏振的光作为图像光IL。另外，在此，衍射效率低的方向是指，例如与使未偏振的通常光在射出侧衍射元件50处衍射的情况相比，光的取出效率低等，详细情况后述。

准直透镜30由用于使入射的光平行化的透镜等构成，是使来自图像光生成装置10的图像光IL平行化且以具有某种程度的宽度的状态向导光部件20射出的投射透镜。即，透过了准直透镜30的图像光IL以平行化的状态入射到导光部件20。

导光部件20是通过使来自准直透镜30的图像光IL进行内部反射并射出而将其引导至观察者的眼前的导光板或导光装置(导光光学系统)。导光部件20是具备取入图像光IL的光入射部21、作为导光用的平行导光体的导光部22、以及用于将图像光IL从导光部件20取出的光射出部23的透光性的板状部件，在图示的一个例子中，包括光入射部21的取入图像光IL的光入射面SI、作为导光部22的表面的平面22a的平面以沿着光轴AX的方向即Z方向为法线方向的方式配置。光入射部21配置于观察者US的耳侧(+X侧)，光射出部23配置于观察者US的鼻侧(-X侧)。光入射部21、导光部22以及光射出部23是由具有高透光性的玻璃或者树脂材料成形的一体件或者一个部件。

光入射部21是导光部件20中的与准直透镜30对置设置的光路上游侧的部分，将从图像光生成装置10射出并进一步经过准直透镜30后的图像光IL引导至导光部件20的内部。光入射部21在取入图像光IL的光入射面SI上具备入射侧衍射元件60。即，导光部件20在光入射部21中取入图像光IL时利用衍射。另外，关于入射侧衍射元件60，在后面叙述。

导光部22是导光部件20中的占据光入射部21与光射出部23的中间部分的平板部分，具有平行地延伸的一对面即2个对置的平面22a、22b。导光部22作为使来自光入射部21的图像光IL全反射的全反射面发挥功能，将图像光IL几乎不损失地高效引导至光射出部23。即，导光部22通过全反射使从光入射部21入射的图像光IL向光射出部23传播。另外，对于上述改变一下看法，则为光入射部21以能够在导光部22进行全反射的方式使图像光IL的光路弯折。另外，由于两平面22a、22b是平行平面，所以对于外界像不产生放大、焦点偏移。另外，在图示中，从容易理解说明的观点出发进行了变形，例如实际上导光部件20能够构成为更薄，在将图像光IL从观察者US的耳侧(+X侧)向鼻侧(-X侧)引导时，进行比图示的情况更多次数的上述那样的全反射。

光射出部23是导光部件20中的光路下游侧的部分，将经过了导光部22的图像光IL从导光部件20取出，朝向观察者US的眼睛EY射出。光射出部23具有与导光部22连续的平板形状，与导光部22同样地，通过全反射使图像光IL的一部分传播，并且在光射出面SO中取出另一部分。进而，光射出部23在取出图像光IL的光射出面SO处具备射出侧衍射元件50。即，导光部件20在光射出部23中取出图像光IL时利用衍射。

如上所述，射出侧衍射元件50设置于导光部件20的光射出部23，是通过衍射将图像光IL从导光部件20朝向观察者US的眼睛EY射出的部件，在这里的一个例子中，由在特定的方向上具有多个槽(狭缝)而形成的表面浮雕衍射光栅RD构成。更具体而言，构成作为表面浮雕衍射光栅RD的射出侧衍射元件50的多个槽(狭缝)由在X方向上具有周期性、在Y方向上延伸的直线状的图案形成。即，在由表面浮雕衍射光栅RD构成的射出侧衍射元件50中，光栅周期和光栅高度是恒定的。另外，在图示中，关于多个槽(狭缝)的大小等，从容易理解说明的观点出发进行了变形，实际上存在更细更多的槽(狭缝)。另外，关于槽(狭缝)的凹凸形状，除了图示的例子以外，还能够采用各种方式，在图示的例子中，凹凸面形成于外表面侧，但不限于此，例如能够采用在内侧具有凹凸面的构造等各种方式。

通过光射出部23中的全反射而被引导至光射出部23的图像光IL中的一部分通过设于光射出部23的光射出面SO的表面浮雕衍射光栅RD即射出侧衍射元件50中的衍射的作用，从光射出面SO被取出，以朝向观察者US的眼睛EY的方式射出。另一方面，图像光IL中的另一部分不受到射出侧衍射元件50中的衍射的作用，而继续被全反射，向观察者US的鼻侧(里侧)传播，在再次向光射出面SO入射时，其一部分从光射出面SO被取出，另一部分被全反射。通过反复进行以上的动作，能够扩大观察者US能够目视作为影像的虚像的区域，即能够将眼盒EB确保为某种程度以上。

此外，如上所述，入射侧衍射元件60设置于光入射部21的光入射面SI，通过衍射作用将图像光IL取入导光部件20的内部，作为此处的一例，例如可以考虑与射出侧衍射元件50同样地设为表面浮雕衍射光栅。入射侧衍射元件60为了使图像光IL在内部通过全反射而传播，以成为比由导光部件20中的折射率决定的临界角大的角度的方式决定光栅周期。另外，光栅周期和光栅高度与射出侧衍射元件50同样是恒定的。另外，例如，也可以构成为，在满足与上述全反射有关的条件的基础上，将入射侧衍射元件60设为与射出侧衍射元件50对应的构造，从而对波长色散进行补偿。

另外，设置有以上那样的射出侧衍射元件50以及入射侧衍射元件60的导光部件20例如能够通过在由厚度1mm～2mm左右的透明玻璃构成的板状部件的表面设置构成会成为射出侧衍射元件50以及入射侧衍射元件60的表面浮雕衍射光栅RD的多个槽(狭缝)的图案来构成。

以下，关于上述结构中的图像光IL的导光的详细情况，根据构成图1所示的图像光IL的各成分光ILa、ILb、ILc的光路来进行说明。另外，各成分光ILa、ILb、ILc表示从图像光生成装置10的光射出面(面板位置)的各点射出的光的主光线。另外，在此，如图所示，图像光IL中的虚线所示的成分光ILa和点线所示的成分光ILb是从图像光生成装置10的两端部射出的成分光，实线所示的成分光ILc是从图像光生成装置10的中心射出的成分光。即，成分光ILa、ILb相当于形成作为使观察者US目视的虚像的图像中的周边侧的图像的成分光，成分光ILc相当于形成中心侧的图像的成分光。另外，在图示的例子中，成分光ILc设为与沿着光轴AX的方向即Z方向平行地射出，另外，以成分光ILc为基准，成分光ILa具有-θ的角度，另一方面，成分光ILb具有+θ的角度。

在光入射部21处的入射中，即通过入射侧衍射元件60的衍射作用，在各成分光ILa、ILb、ILc中，成分光ILa在导光部件20中传播的角度最大，成分光ILb在导光部件20中传播的角度最小，成分光ILc在导光部件20中传播的角度为中间的角度。因此，其中，成分光ILa入射到光射出面SO的间隔(碰撞光射出面SO的间隔)最大，来自光射出面SO的射出次数最少。另一方面，成分光ILb入射到光射出面SO的间隔最小，从光射出面SO的射出次数最多。

另外，在上述方式中，各成分光ILa、ILb、ILc在光射出面SO上的射出角度φ与向入射侧衍射元件60的入射角度相同。即，成分光ILa以射出角度φ＝-θ射出，成分光ILb以射出角度φ＝θ射出，成分光ILc以射出角度φ＝0°射出，从设置有射出侧衍射元件50的光射出面SO的整体射出-θ至+θ的角度范围的光。另外，该射出角度φ的范围表示被目视的图像的视场角。反过来说，射出角度φ的范围的光通过的范围成为观察者US能够目视作为影像的虚像的区域即眼盒EB的范围。因此，通过将设置射出侧衍射元件50的范围设为某种程度以上，能够确保足够广的眼盒EB。

通过具有足够广的眼盒EB，例如，如图2的状态α1～α3所示，即使在根据观察者US不同而左右的眼睛EY1、EY2的间隔不同即眼宽不同的情况下，也能够不按每个观察者US单独地进行虚像显示装置100的眼宽调整而进行影像(虚像)的目视。即，如状态α1所示，在假定了具有标准的眼宽的观察者US的情况下，使左右的眼睛EY1、EY2与眼盒EB的中央位置对准，在左右例如准备具有几毫米以上的区域的眼盒EB，由此，例如即使如状态α2所示，在具有宽的眼宽的观察者US进行观察的情况下，或者相反地，如状态α3所示，在具有窄的眼宽的观察者US进行观察的情况下，也能够确保可视性。

另一方面，在上述结构中，为了增大眼盒EB，需要增大射出侧衍射元件50，即需要更多地进行光射出面SO中的图像光IL的一部分反射和一部分取出(基于衍射的取出)的反复。但是，根据图像的取出方法，根据视场角即射出角度φ的范围(-θ至+θ)，有可能产生明亮度不均、颜色不均。另外，也有可能因每个观察者US不同的眼睛EY的位置的差异(眼宽的差异)而产生明亮度不均、颜色不均。

与此相对，在本实施方式中，在图像光生成装置10中，作为图像光IL，射出向射出侧衍射元件50中衍射效率低的方向偏振的光，由此，对于作为中心图像以第一角度(φ＝0°)射出的第一成分光ILc和作为周边图像以第二角度(φ＝-θ，+θ)射出的第二成分光ILa、ILb，使光量差为20％以内。由此，能够抑制根据作为影像(虚像)被目视的画面内的位置而产生光量差，更具体而言能够抑制在第一成分光ILc与第二成分光ILa、ILb之间产生光量差，抑制作为画面整体的明亮度不均以及颜色不均，提示良好的图像。

并且，射出侧衍射元件50通过使第一成分光ILc中的、通过眼盒EB的一端EG1的成分光ILc1与通过眼盒EB的另一端EG2的成分光ILc2的光量差为20％以内，从而抑制因每个观察者US不同的眼睛EY的位置的差异即眼宽的个体差的差异而产生明亮度不均以及颜色不均。

以下，参照图3等，作为用于实现上述那样的方式的结构的说明，针对本实施方式所涉及的虚像显示装置100中的图像光IL的射出状况，说明更具体的一个例子。图3是概念性地示出作为图像光IL的一例的第一成分光ILc的射出状况的俯视图。另外，在图示中，为了简化说明，对于第一成分光ILc的光量，以宽度H1表现其大小。因此，宽度H1并不表示实际的第一成分光ILc的光束的宽度。

当第一成分光ILc入射到射出侧衍射元件50(例如入射到射出侧衍射元件50的第一区域AR1)时，在第一区域AR1中向外部取出入射光量中的透过1次衍射效率的量，0次反射效率的量返回到导光部件20内。另外，在图示的例子中，通过在向第一区域AR1入射的前后，宽度H1稍微变细，并且一部分从第一区域AR1射出，来示出该情形。

返回至导光部件20的第一成分光ILc在导光部件20的背面即平面22b的延长线上的面被反射之后，再次入射至射出侧衍射元件50(入射至射出侧衍射元件50的第二区域AR2)。在第二区域AR2中，也向外部取出入射光量中的透过1次衍射效率的量，0次反射效率的量返回到导光板内。一边反复进行这样的过程，一边随着导光板内的传播将光一点一点地向外部取出。另外，2次以上的衍射效率足够小至可忽略的程度。

这里，如上所述，作为在导光部件20中传播来的图像光IL即第一成分光ILc，入射向射出侧衍射元件50中衍射效率低的方向偏振的光。即，在上述那样的方式中，通过第一区域AR1、第二区域AR2等的一次一次的衍射而取出的第一成分光ILc的比例变小。因此，例如在第一区域AR1中取出的第一成分光ILc的光量与在第二区域AR2中取出的第一成分光ILc的光量之差也变小。另外，以上的情况不限于图像光IL中的第一成分光ILc，对于作为其他成分光的第二成分光ILa等也是同样的。即，作为图像光IL的整体，由于眼睛EY的位置的差异即眼宽的个体差异的差异，明亮度、颜色的变化少。

以下，参照图4，对入射至射出侧衍射元件50的光的偏振及其特性进行说明。在此，如上所述，作为射出侧衍射元件50的一例，采用表面浮雕衍射光栅RD，在表面浮雕衍射光栅RD设置有由在X方向上具有周期性且在Y方向上延伸的多个槽(狭缝)形成的直线状的图案。在此，如上所述，将与由槽形成的直线状的图案平行的方向(在图示的例子中为±Y方向)设为表面浮雕衍射光栅RD的槽方向。与此相对，如图所示，入射到表面浮雕衍射光栅RD的图像光IL成为以具有在与表面浮雕衍射光栅RD的槽方向正交的方向上振动的电场成分的方式偏振的TM波(p波)。即，图像光IL相对于表面浮雕衍射光栅RD成为TM波(p波)的线偏振光或者以该线偏振光为主成分光，由此，与仅由TE波(s波)构成或者更多地包含TE波(s波)的情况相比，能够降低表面浮雕衍射光栅RD即射出侧衍射元件50中的衍射效率，抑制由射出位置、射出角度引起的光量差。另外，为了使图像光IL成为该偏振状态，例如在图像光生成装置10中调整偏振状态。即，由液晶显示面板等构成的图像光生成装置10使图像光IL以具有在与表面浮雕衍射光栅RD的槽方向正交的方向上振动的电场成分的方式偏振的状态射出。

以下，参照图5，对作为上述那样的方式的图像光IL的射出状况的一例进行说明。

图5是表示按眼睛EY的位置以及图像光IL的方向射出的光量的概念性的曲线图。图5表示作为图像光IL的一个例子，使用绿色波段的光的情况，在曲线图中，横轴表示眼睛EY的位置，即在眼盒EB中眼睛EY位于何处(参照图2的左眼EY1的位置)，纵轴表示各位置的图像光IL的光量。在此，对眼盒EB的中央及其两端(图1、图2的端部EG1、EG2)进行比较。另外，图中，虚线所示的曲线Qa与图像光IL中的成分光ILa的光量对应，点线所示的曲线Qb与成分光ILb的光量对应，实线所示的曲线Qc与成分光ILc的光量对应。即，曲线Qc表示基于虚像的画面的中央位置(中心图像)的光量即由眼睛EY感受到的明亮度，曲线Qa、Qb表示画面的周边位置(周边图像)的光量即由眼睛EY感受到的明亮度。另外，将成分光ILc的射出角度φ设为φ＝0°，将成分光ILa、ILb的射出角度φ设为φ＝±θ＝±10°。

在本实施方式中，如各曲线Qa、Qb、Qc所示，在眼睛EY位于眼盒EB的任意位置的情况下，虽然曲线Qc所示的中心图像的光量最高，但与曲线Qa、Qb所示的周边图像的光量的差较少，具体而言，在例如将曲线Qc的光量的值设为100％的情况下，它们之间的光量差DD收敛于20％以内。需要说明的是，虽然省略了图示等，但即使在射出角度φ为0°±10°的范围内，也满足上述条件。在该情况下，对于眼睛EY感觉到的明亮度，能够抑制为从中心侧到周边侧感觉不到差异的程度。

另外，根据各曲线Qa、Qb、Qc的倾斜程度可知，由眼睛EY的位置引起的光量的差也被抑制得较小。在此，关于各曲线Qa、Qb、Qc的值，在眼盒EB的一端EG1最高，在另一端EG2最低，但关于此时的差，例如在曲线Qc即第一成分光ILc中，在将一端EG1的光量的值设为100％的情况下，一端EG1处的光量与另一端EG2处的光量之差收敛于20％以内。

另外，在上述一个例子中，对使用绿色波段的光的情况进行了说明，但对于形成包含其他色光的波段的光、将它们合并而成的彩色图像的情况，也能够同样地处理。在该情况下，也可以考虑按照每种颜色满足上述条件，另外，也可以考虑作为彩色图像整体满足上述条件。

如以上那样，在本实施方式所涉及的虚像显示装置100中，具备：图像光生成装置10；导光部件20，其对从图像光生成装置10射出的图像光IL进行导光；以及射出侧衍射元件50，其设置于导光部件20的光射出部23，通过衍射而射出图像光IL，在射出侧衍射元件50中，关于图像光IL中的作为中心图像以第一角度φ＝0°射出的第一成分光ILc和作为周边图像以第二角度φ＝±θ(θ＞0°)射出的第二成分光ILa、ILb，光量差为20％以内。

在上述虚像显示装置100中，通过射出侧衍射元件50，将观察者US能够目视虚像的区域即眼盒EB确保得较广，并且使以第一角度φ＝0°射出的第一成分光ILc与以第二角度φ＝±θ射出的第二成分光ILa、ILb的光量差为20％以内，从而能够抑制因作为虚像而被目视的画面内的位置而产生光量差，抑制作为画面整体的明亮度不均以及颜色不均，提示良好的图像。另外，在上述虚像显示装置100中，在图像光生成装置10中，作为图像光IL，射出向射出侧衍射元件50中衍射效率低的方向偏振的光，由此抑制由射出位置、射出角度引起的光量差。进而，具体而言，在上述虚像显示装置100中，在图像光生成装置10中，由表面浮雕衍射光栅RD构成射出侧衍射元件50，在以具有在与该表面浮雕衍射光栅RD的槽方向正交的方向上振动的电场成分的方式偏振的状态下射出图像光IL，由此降低衍射效率。

以下，参照图6等，示出一个比较例。图6是用于说明一个比较例的光的射出状况的概念性的俯视图，是与图3对应的图。另外，图7是用于对射出的光量进行比较的曲线图，对图5所示的一个例子和图6所示的一个比较例的情况下的曲线图进行比较。具体而言，上栏β1所示的曲线图相当于图5，与此相对，下栏β2所示的曲线图是关于上述比较例的情况的曲线图。另外，在上述比较例中，关于除了图像光IL的偏振状态以外的条件即光学结构等，设为与上述实施方式相同，省略说明。

在本实施方式中，图像光IL如参照图5中的例示来说明的那样，相对于表面浮雕衍射光栅RD成为TM波(p波)的线偏振光或者以该线偏振光为主成分光，由此降低表面浮雕衍射光栅RD即射出侧衍射元件50中的衍射效率。与此相对，在比较例中，为相对于表面浮雕衍射光栅RD成为TE波(s波)的线偏振光或者以该线偏振光为主成分光的状态，即成为以具有在与表面浮雕衍射光栅RD的槽方向平行的方向上振动的电场成分的方式偏振的状态，衍射效率高于本实施方式的上述一例。换言之，本比较例与上述一例的不同点在于，图像光生成装置10构成为射出向在射出侧衍射元件50中衍射效率高的方向偏振的光作为图像光IL。在该情况下，在图6中，如将第一成分光ILc的光量表示为宽度H1那样，在第一成分光ILc向射出侧衍射元件50的1次入射中，向外部取出的量变多，例如在向区域AR1入射的前后，宽度H1急剧变细，与在向下一个区域AR2的入射中取出的光量的差变大。这对于其他成分光ILa等也是同样的，作为结果，例如与光量相关的曲线Qa、Qb、Qc成为图7的下栏β2所示的曲线图那样的曲线。即，与上栏β1所示的相当于图5的曲线图相比，在上述比较例的情况下，曲线Qc所示的中心图像的光量与曲线Qa、Qb所示的周边图像的光量的光量差DD变大，例如在将曲线Qc的光量的值设为100％的情况下，光量差DD超过20％。另外，关于各曲线Qa、Qb、Qc的值，例如在表示中心图像的曲线Qc即第一成分光ILc中，在将一端EG1的光量的值设为100％的情况下，一端EG1处的光量与另一端EG2处的光量之差也超过20％。

在以上那样的情况下，在眼睛EY的位置位于眼盒EB中的任何位置的情况下，都有可能因中心图像与周边图像的光量差而产生作为画面整体的明亮度不均以及颜色不均(显眼)，另外，根据眼睛EY的位置即根据观察者US的眼宽，也有可能看起来明亮或看起来较暗。

在本实施方式中，如上所述，通过使图像光IL成为向射出侧衍射元件50中衍射效率低的方向偏振的光，从而避免了这样的事态。

[第二实施方式]

以下，参照图8，对第二实施方式所涉及的虚像显示装置进行说明。此外，本实施方式所涉及的虚像显示装置200是第一实施方式所涉及的虚像显示装置100的变形例，除了图像光生成装置210以外与第一实施方式的情况相同，因此对上述以外的各部省略详细的说明。

图8是表示本实施方式的虚像显示装置200的光学结构的概念性的图，是与图1对应的图。

在第一实施方式中，构成为具备由能够射出偏振状态的图像光的液晶显示器(液晶显示面板)等构成的图像光生成装置10，即，具有将偏振的光作为图像光IL射出的偏振型显示元件(偏振型显示设备)。取而代之，在本实施方式中，如图示那样，在具备包含射出非偏振的光的非偏振型显示元件的图像光生成装置210这一点上，与第一实施方式的情况不同。

更具体而言，图像光生成装置210具有：非偏振型显示元件211，其射出非偏振的光UP；以及偏振元件212，其使来自非偏振型显示元件211的非偏振的光UP偏振而作为图像光IL射出。

作为非偏振型显示元件211、即非偏振型显示器，例如能够列举有机EL显示器、微型LED显示器。上述那样的非偏振型显示器若直接利用，则成为放射具有相对于射出侧衍射元件50成为TE波(s波)以及TM波(p波)双方的成分光的图像光IL，即，成为包含射出侧衍射元件50中的衍射效率高的TE波的状态。为了避免该情况，在非偏振型显示元件211与准直透镜30之间，作为偏振元件212，设置有用于截止TE波而使TM波通过的导光板、偏振分束器。

另外，在上述一个例子中，在图像光生成装置210中，对非偏振型的显示设备进行了说明，但除此之外，例如，即使显示设备是使用了液晶显示器、激光的偏振型显示设备，也设想到由于光学系统的布局的制约等而只能放射对于射出侧衍射元件50衍射效率高的TE波(s波)的情况。在该情况下，在图8中，考虑采用偏振型显示设备来代替非偏振型显示元件211，并且采用λ/2板作为偏振元件212，由此使偏振面旋转90度而使图像光IL成为TM波(p波)。

在本实施方式所涉及的虚像显示装置200中，对于图像光IL，也能够抑制根据作为虚像被目视的画面内的位置而产生光量差，抑制作为画面整体的明亮度不均以及颜色不均，提示良好的图像。

[变形例及其他事项]

以上说明的构造是例示，在能够实现同样的功能的范围内，能够进行各种变更。

例如，在上述中，在导光部件20上形成的表面浮雕衍射光栅仅具有作为输入衍射光栅的入射侧衍射元件60和作为输出衍射光栅的射出侧衍射元件50这2个，并且，在两者中其光栅槽平行。但是，不限于此，即使在导光部件20上形成的衍射光栅有3个以上、且它们的光栅槽相互形成角度的情况下，只要入射到射出侧衍射元件50的图像光IL是TM波(p波)，就能够观察到颜色不均少的虚像。

另外，如图9所示，关于射出侧衍射元件50、入射侧衍射元件60，也可以考虑采用体积全息件HO来代替输出衍射光栅。需要说明的是，在射出侧衍射元件50中，即使在采用体积全息件HO的情况下，也与表面浮雕衍射光栅的情况同样地，存在降低衍射效率的方向，通过射出与该方向相应的偏振状态的图像光IL，能够得到与上述的情况同样的效果。

另外，在上述说明中，例如在图5所示的一例中，将作为中心图像的第一成分光ILc的射出角度即第一角度φ设为φ＝0°，将作为周边图像的第二成分光ILa、ILb的射出角度即第二角度φ设为φ＝±10°即θ＝10°(即，将水平方向上的整个视场角设为20°)，但不限于此，例如，该角度差也可以为10°以上。

另外，在以上的说明中，关于图像光生成装置10、210，应用了液晶显示面板、有机EL显示面板等，但不限于此，也可以是以LED阵列、激光器阵列、量子点发光型元件等为代表的自发光型的显示元件。另外，也可以是使用DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)的结构、通过MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)形成图像光的显示元件。并且，图像光生成装置10等也可以由使用了将激光光源和扫描仪组合而成的激光扫描仪的显示器构成。此外，也能够代替液晶显示面板而使用LCOS(Liquid crystal onsilicon：硅基液晶)技术。

另外，在上述中，能够将虚像显示装置100等用作HMD，但不限于此，能够应用于各种光学设备，例如在平视显示器(HUD：Head-Up Display)中也能够应用本申请的发明。

另外，在上述中，对使外界像(实物)和虚像重叠地目视的透视型的虚像显示装置进行了说明，但不限于此，也可以用于目视所谓的闭合型的虚拟现实的装置，或者应用于由显示器和摄像装置构成的所谓的视频透视的产品。

另外，在上述各实施方式中，例示了在观察者US的侧头部侧即观察者US的脸的旁边配置虚像显示装置100的结构，但不限于此，例如也可以在构成为以沿着观察者US的眼睛EY的上方侧(观察者US的额头)的方式配置构成虚像显示装置100的各部、从眼睛EY的上方引导图像光IL的情况下应用本申请。另外，在如上述那样将对图像光IL进行导光的方向设为纵向的情况下，例如也可以对射出侧衍射元件50的槽方向进行适当变更，并一并变更从图像光生成装置10射出的图像光IL的偏振方向。

另外，在上述中，设为光轴AX相对于平板状的光学部件20垂直的结构，但不限于此，也可以考虑设为图像光IL从成为倾斜的方向即倾斜方向入射的结构。

如以上那样，具体的一个方式中的第一虚像显示装置具备：图像光生成装置；导光部件，其对从图像光生成装置射出的图像光进行导光；以及射出侧衍射元件，其设置于导光部件的光射出部，通过衍射而射出图像光，在射出侧衍射元件中，关于图像光中的作为中心图像以第一角度射出的第一成分光和作为周边图像以第二角度射出的第二成分光，光量差为20％以内。

在上述虚像显示装置中，通过射出侧衍射元件，确保观察者(使用者)能够目视影像(虚像)的区域(眼盒)较宽，并且使以第一角度射出的第一成分光与以第二角度射出的第二成分光的光量差为20％以内，从而能够抑制根据被目视为影像(虚像)的画面内的位置而产生光量差，抑制作为画面整体的明亮度不均以及颜色不均，提示良好的图像。

在具体的方面，图像光生成装置射出向射出侧衍射元件中衍射效率低的方向偏振的光作为图像光。在该情况下，作为图像光，通过射出向射出侧衍射元件中衍射效率低的方向偏振的光，能够抑制由射出位置、射出角度引起的光量差。

在另一方面，图像光生成装置射出相对于射出侧衍射元件成为TM波的光作为图像光。在该情况下，通过相对于射出侧衍射元件成为TM波，抑制衍射效率，即抑制基于衍射的图像光的射出量，从而难以产生光量差。

在又一方面，图像光生成装置具有：非偏振型显示元件，其射出非偏振光；以及偏振元件，其使来自非偏振型显示元件的非偏振光偏振而作为图像光射出。在该情况下，通过使来自非偏振型显示元件的光在偏振元件中成为期望的偏振状态，在射出侧衍射元件中，能够抑制由图像光的射出位置、射出角度引起的光量差。

在又一方面，图像光生成装置具有将偏振的光作为图像光射出的偏振型显示元件。在该情况下，通过偏振型显示元件，能够调整为在射出侧衍射元件中，图像光为期望的偏振状态。

在又一方面，射出侧衍射元件是表面浮雕衍射光栅。在该情况下，能够以简易的构造产生用于进行导光目的的衍射。

在又一方面，在表面浮雕衍射光栅中，光栅周期及光栅高度是固定的。此时，能够以简易的结构构成准确的衍射效率的表面浮雕衍射光栅。

在又一方面，射出侧衍射元件是体积全息元件。在该情况下，也能够抑制作为画面整体的明亮度不均以及颜色不均，提示良好的图像。

在又一个方面，射出侧衍射元件使第一成分光中的通过眼盒的一端的成分光与通过眼盒的另一端的成分光的光量差为20％以内。在该情况下，能够抑制由于每个观察者不同的眼睛的位置差异即眼宽的个体差的不同而产生明亮度不均以及颜色不均。

在又一方面，导光部件具有：光入射部，其将从图像光生成装置射出的图像光引导至内部；以及导光部，其利用全反射使从光入射部入射的图像光向光射出部传播。在该情况下，通过光入射部、导光部以及光射出部，在导光部件中利用全反射，能够进行从图像光生成装置向观察者的眼前的可靠且高效率的图像光的传播。

在又一方面，在射出侧衍射元件中，第一角度与第二角度的角度差为10°以上。在该情况下，能够在维持宽广的视场角的图像的同时，形成降低了明亮度不均、颜色不均的良好的图像。

具体的一个方式中的第二虚像显示装置具备：图像光生成装置；导光部件，其对从图像光生成装置射出的图像光进行导光；以及射出侧衍射元件，其设置于导光部件的光射出部，图像光生成装置射出向射出侧衍射元件中衍射效率低的方向偏振的光作为图像光。

在上述虚像显示装置中，通过射出侧衍射元件将眼盒确保得较宽广，并且射出向射出侧衍射元件中衍射效率低的方向偏振的光作为图像光，由此能够抑制由射出位置、射出角度引起的光量差，能够抑制作为虚像被目视的画面内的明亮度不均以及颜色不均。

具体的一个方式中的第三虚像显示装置具备：图像光生成装置；导光部件，其对从图像光生成装置射出的图像光进行导光；以及射出侧衍射元件，其设置于导光部件的光射出部，射出侧衍射元件是表面浮雕衍射光栅，图像光生成装置射出以具有在与表面浮雕衍射光栅的槽方向正交的方向上振动的电场成分的方式偏振的状态的图像光。

在上述虚像显示装置中，通过射出侧衍射元件确保较大的眼盒，并且相对于作为表面浮雕衍射光栅的射出侧衍射元件，图像光生成装置将图像光以具有在与该表面浮雕衍射光栅的槽方向正交的方向上振动的电场成分的方式偏振的状态射出，由此能够降低衍射效率，抑制由射出位置、射出角度引起的光量差，抑制作为虚像被目视的画面内的明亮度不均以及颜色不均。

Claims (10)

1.一种虚像显示装置，其具备：

图像光生成装置；

导光部件，其对从所述图像光生成装置射出的图像光进行导光；以及

射出侧衍射元件，其设置于所述导光部件的光射出部，通过衍射而射出所述图像光，

在所述射出侧衍射元件所形成的眼盒的一端侧，在设所述图像光中的中心图像的光量为100％的情况下，所述图像光中作为所述中心图像以第一角度射出的成分光与作为周边图像以第二角度射出的成分光的光量差为20％以内，

在所述眼盒的另一端侧，在设所述中心图像的光量为100％的情况下，所述图像光中作为所述中心图像以所述第一角度射出的成分光与作为所述周边图像以所述第二角度射出的成分光的光量差为20％以内，

在设所述眼盒的所述一端侧的所述图像光的光量为100％的情况下，所述一端侧的所述图像光与所述另一端侧的图像光的光量差为20％以内。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述图像光生成装置射出向所述射出侧衍射元件中衍射效率低的方向偏振的光作为所述图像光。

3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中，

所述图像光生成装置射出相对于所述射出侧衍射元件成为TM波的光作为所述图像光。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其中，

所述图像光生成装置具有：非偏振型显示元件，其射出非偏振的光；以及偏振元件，其使来自所述非偏振型显示元件的所述非偏振的光偏振而作为所述图像光射出。

5.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其中，

所述图像光生成装置具有将偏振的光作为所述图像光射出的偏振型显示元件。

6.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其中，

所述射出侧衍射元件是表面浮雕衍射光栅。

7.根据权利要求6所述的虚像显示装置，其中，

在所述表面浮雕衍射光栅中，光栅周期和光栅高度是固定的。

8.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其中，

所述射出侧衍射元件是体积全息元件。

9.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其中，

所述导光部件具有：光入射部，其将从所述图像光生成装置射出的所述图像光引导至内部；以及导光部，其利用全反射使从所述光入射部入射的所述图像光向所述光射出部传播。

10.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其中，

在所述射出侧衍射元件中，所述第一角度与所述第二角度的角度差为10°以上。