CN117813543A - 图像显示装置和图像显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像显示装置，其能够通过简化配置实现输入侧光学元件的小型化，同时提高入射光的利用效率。图像显示装置(10)包括：图像形成单元(13)，其出射图像光；导光板(11)，其使从图像形成单元(13)出射的图像光入射到导光板，在导光板内传播，并从导光板向外出射；第一光学元件(14)，其使入射到导光板(11)的图像光折射并在导光板内传播；以及第二光学元件(15)，其使在导光板(11)内传播的图像光折射并从导光板向外出射，其中，在导光板的侧面上形成至少一对反射曲面(16、17)，用于将由第一光学元件(14)折射的图像光沿第二光学元件(15)的方向反射。

Description

图像显示装置和图像显示方法

技术领域

本技术涉及图像显示装置和图像显示方法。更具体地，本技术涉及用于通过使用允许入射光在导光板内部传播并从导光板向外出射的导光板来显示图像的图像显示装置和图像显示方法。

背景技术

以往，已知有使用诸如衍射光栅之类的光学元件的图像显示装置(眼罩)，其用于将由图像形成单元形成的二维图像改变为由虚像光学系统放大的虚像，并将其作为图像提供给用户(观察者)。

例如，在专利文献1中，提出了作为导光板型AR玻璃系统的光学装置。该光学装置将导光板与光学引擎相结合。该导光板具有作为反射型体积全息图的IN耦合器和OUT耦合器的具有相同间距的一对衍射光栅。该对衍射光栅设置在导光板上。光学引擎生成视频。通过这样的结构，反复进行多次通过OUT耦合器沿导光方向的衍射和出射，从而提供光瞳扩展效果。因此，根据专利文献1，考虑到导光板的厚度和导光角度，IN耦合器可以被设计为具有小尺寸，以便防止在导光方向上的亮度不均匀。

另外，在专利文献2中，作为使用了体积全息图的系统，提出了图像显示装置。该图像显示装置将多个倾斜布置在表面内，以使入射角向外侧倾斜。此外，由于光输出表面也向外倾斜，因此图像显示装置通过使用用于反射光束的导光构件的侧表面来折射要在相反方向上出射的光束。因此，可以增加可以具有单个倾斜角的衍射效率的范围，减少制造处理的数量，并且防止在通过双眼观看的情况下眼镜形状不自然。此外，根据专利文献2，仅改变光束的方向，并且没有光束关于导光方向上的平面被反转。

此外，专利文献3已经提出了一种导光装置，作为用于减小光学引擎的尺寸并减少颜色不均匀的系统。该导光装置在光输入部分处具有棱镜透镜，并且通过多镜关于光入射和引导方向执行光瞳扩展。根据专利文献3的技术使用通过提供具有相同间距的衍射光栅以允许光经由衍射光栅进入相对于垂直方向的第二平行板和第二部件，从而也在垂直方向上进行光瞳扩展的技术。因此，根据专利文献3，由于在水平方向和垂直方向两者上执行光瞳扩展，所以光学引擎可以小型化。

引文列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开号2006-350129

专利文献2：日本专利申请公开号2014-142386

专利文献3：日本专利申请公开号2017-049290

发明内容

技术问题

然而，根据专利文献1的技术对于在与导光方向正交的方向上的视角没有光瞳扩展要素。因此，需要针对观察者的眼眶尺寸在引擎侧设计投射透镜。因此，存在与导光方向相比尺寸增大的问题。

另外，根据专利文献2的技术在利用侧面调整入射角和出射角时是有用的。但是，就IN尺寸而言，存在的问题是，尺寸也如在根据专利文献1的技术中那样增大。例如，尺寸可以在导光方向上减小，但是在与导光方向正交的方向上的尺寸取决于投射透镜的设计。另外，由于在侧表面上折射光增加了导光距离，所以尺寸增加。因此，存在投射透镜的尺寸进一步增大的问题。另外，由于根据专利文献2的技术使用了局限于相对于导光方向将入射角限制在外侧的技术的技术，因此例如在设计为0度的入射角的情况下它不能被使用。另外，由于入射光在侧表面上反射，再次进入衍射光栅，并被引导通过衍射光栅，所以由于再衍射而导致的效率降低和不必要的光出射是不可避免的。存在的问题在于，在其被配置为具有用于着色等的多板结构的情况下，其可能导致重影。

此外，与使用由在光输入部分处的衍射光栅、用于在导光方向上的光瞳扩展的衍射光栅、以及用于出射和在正交方向上的光瞳扩展的衍射光栅组成的三个衍射光栅的平行板技术相比，根据专利文献3的技术使得光学引擎能够小型化，其具有的问题在于，正交方向上的视角由于其非连续构造而尤其在第一光瞳扩展部件处受到限制。当第一光瞳扩展部件引导光束时，在与其正交的视角方向上的光束扩展。由于在第一部件的侧面上反射的返回光的光路被反转，因此，其导致入射视角的混合，即，重影。为了避免这种情况，需要增加第一部件的宽度并减小在正交方向上的视角。因此，存在视角受限的问题。此外，即使与由三个衍射光栅组成的、可以由单个平行板制造的系统相比，组件数量的增加和制造处理数量的增加也是不可避免的问题。另外，当光在两个轴方向上传播时，光的分量不可避免地在导光方向上损失。因此，效率显著降低。

因此，本技术的主要目的在于提供一种图像显示装置，其能够在通过简化配置而使输入侧光学元件小型化的同时提高入射光的使用效率。

针对问题的解决方案

在本技术中，提供了一种图像显示装置，包括：

图像形成单元，其出射图像光；

导光板，其允许从图像形成单元出射的图像光入射到导光板，在导光板内部传播，并从导光板向外出射；

第一光学元件，其使入射到导光板的图像光折射并在导光板内部传播；以及

第二光学元件，其使在所述导光板内部传播的所述图像光折射并从所述导光板向外出射，其中

在导光板的侧面形成有至少一对反射曲面，所述至少一对反射曲面将由第一光学元件折射的图像光沿第二光学元件的方向反射。

此外，在本技术中，提供了一种图像显示方法，包括：

出射图像光的步骤；

使出射的图像光入射到导光板的步骤；

使入射到导光板的图像光被第一光学元件折射并在导光板内部传播的步骤；

使入射到第一光学元件的图像光沿第二光学元件的方向被反射的步骤，所述图像光在形成于导光板的侧面上的至少一对反射曲面上被反射；以及

使在所述导光板内部传播的所述图像光被第二光学元件折射并从所述导光板向外出射的步骤。

发明的有益效果

根据本技术，提供一种图像显示装置，其通过简化配置，能够在使输入侧光学元件小型化的同时提高入射光的利用效率。应当注意，上述效果不是限制性的，并且除了上述效果之外或者代替上述效果，可以提供本说明书中阐述的效果中的任何一个或者可以从本说明书想到的其它效果。

附图说明

图1是示出根据本技术的第一实施例的图像显示装置的示意性配置图。

图2是示出根据本技术的第一实施例的使用输出侧衍射光栅的光瞳扩展的示意图。

图3是示出根据传统技术的图像显示装置的示意性配置图。

图4是示出根据本技术的第一实施例的衍射光栅的布置示例的概念图。

图5是示出根据本技术的第一实施例的衍射光栅的布置示例的概念图。

图6是示出根据本技术的第一实施例的衍射光栅的表面的配置示例的示意图。

图7是示出根据本技术的第一实施例的反射型体积全息衍射光栅的配置示例的示意图。

图8是示出根据本技术的第一实施例的导光板的堆叠示例的示意图。

图9是示出根据本技术的第二实施例的衍射光栅的布置示例的概念图。

图10是示出根据本技术的第三实施例的图像显示装置的示意性配置图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述用于执行本技术的有利实施例。以下描述的实施例代表本技术的典型实施例的示例，并且可以组合任何实施例。此外，本技术的范围不应由于它们而被狭义地理解。应当注意，将按照以下顺序给出描述。

1.第一实施例

(1)图像显示装置的配置示例

(2)传统图像显示装置的配置示例

(3)无焦系统的概念

(4)衍射光栅的配置示例

(5)导光板的堆叠示例

(6)图像显示方法的示例

2.第二实施例

3.第三实施例

1.第一实施例

(1)图像显示装置的配置示例

首先，将参考图1和2描述根据本技术的第一实施例的图像显示装置10的配置示例。

图1的A是从上方观察的根据本实施例的图像显示装置10的示意性配置图。图1的B是从图像显示装置10的正面观察时从图1的A中的位置起沿纸面的正面方向旋转90度的图像显示装置10的示意性配置图。在本实施例中，假设用户的视线方向是Z轴上的正方向，图1的纸面上的X轴上的右手方向是正方向，图1的B的纸面上的上方方向是Y轴上的正方向。图2是示出根据本实施例的使用输出侧衍射光栅的光瞳扩展的示意图。

图像显示装置10例如能够作为附接在用户的眼睛附近的眼镜(eyeglass)型的眼罩(eyewear)使用，该眼罩包括使光在一定方向上衍射的衍射光栅型的导光板。特别地，图像显示装置10可以应用于用于增强现实(AR)的光学系统。

如图1的A所示，图像显示装置10例如包括导光板11、作为光学系统的投射透镜12、具有出射图像光等的发光光源的图像形成单元13、作为第一光学元件的作为入射耦合器的输入侧衍射光栅14、以及作为第二光学元件的作为出射耦合器的输出侧衍射光栅15。输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15都布置在导光板11的前侧的与光入射面相反的表面上。输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15具有相同的间距和相同的方向。图像显示装置10例如使用LED光源(530nm)作为光源，并且采用表面起伏(relief)衍射光栅作为输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15。

图像形成单元13的光源具有用于生成视频或图像的显示单元。图像形成单元13的光源可以是硅上液晶(LCOS)型或高温多晶硅(HTPS)型的，其执行自发光，但是具有诸如微型发光二极管(微LED)或微型有机发光二极管(微OLED)之类的照明系统。图像形成单元13的光源可以是数字光处理(DLP)型或激光束扫描(LBS)型的。此外，光学引擎可以是透射式液晶面板、前盖面板等与光源的组合。应当注意，用于自发光的光源可以是与面板集成的具有色散的发光二极管(LED)光源，或者可以是具有单波长的激光二极管(LD)光源或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)光源。

使用像激光的单波长增加了色域，提供了更高的图像质量，并且使得不必考虑色散。因此，降低了形成用于导光板11的无焦系统的难度。然而，激光比LED光源更昂贵，因此积极使用LED光源是有用的。在使用衍射光栅的情况下，由于LED光源的色散，具有视角扩展的优点。

图像形成单元13与导光板11的一个表面相对地被布置，并且向导光板11的输入侧衍射光栅14出射图像光。应当注意，图像形成单元13可以出射来自具有多个波长的多个像素的图像光。此外，图像形成单元13可以被配置为包括出射图像光的图像生成单元和将从图像生成单元出射的图像光转换为用于视角的准直光的光学系统。另外，图像形成单元13可以被配置为包括滤色器。

投射透镜12被布置在图像形成单元13和导光板11之间，并且对从图像形成单元13出射的光进行集光。此外，投射透镜12能够将从图像形成单元13出射的各像高的图像光转换为视角用的准直光。在本实施例中，投射透镜12和图像形成单元13构成光学引擎。应当注意，投射透镜12可以被布置成相对于导光板11或图像形成单元13倾斜。

导光板11的平面具有平行板形状，用于引导来自各个光源的光束而不改变各个导光角。此外，导光板11的侧面与所述平面垂直。从图像形成单元13出射并通过投射透镜12集光的图像光进入导光板11，并且进入的图像光在导光板11内部传播并从导光板11向外出射。导光板11的详细配置将在后面描述。

作为一个示例，输入侧衍射光栅14是透射型衍射光栅。输入侧衍射光栅14被布置在导光板11的与布置有图像形成单元13的入射表面侧相反的表面的一端处。输入侧衍射光栅14是用于沿导光角的方向折射来自导光板11的外部的图像光的衍射光栅。输入侧衍射光栅14对进入导光板11的图像光进行折射、衍射以及反射，并允许该图像光在导光板11内传播。

作为示例，输出侧衍射光栅15是透射型衍射光栅。输出侧衍射光栅15被布置在与导光板11的布置有输入侧衍射光栅14的表面相同的表面的另一端处。输出侧衍射光栅15是用于将被引导的图像光从导光板11向外出射的衍射光栅。输出侧衍射光栅15使在导光板11的内部传播的图像光透射并衍射，并且从导光板11向外出射该图像光。输出侧衍射光栅15具有与输入侧衍射光栅14相同的衍射光栅间距。输出侧衍射光栅15具有使光栅矢量闭合(close)的功能。此外，输出侧衍射光栅15可以具有光瞳扩展的功能。应当注意，输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15可以是反射型衍射光栅，或者可以是体积型或表面起伏衍射光栅。应注意，表面起伏衍射光栅可通过诸如压印、注射成型、蚀刻或铸造之类的技术来制造。

如图1的B所示，在导光板11的侧面上形成输入侧的第一反射曲面16和输出侧的第二反射曲面17，由输入侧衍射光栅14折射的图像光在该第一反射曲面16上被反射，由第一反射曲面16反射的图像光在第二反射曲面17上沿输出侧衍射光栅15的方向被反射。第一反射曲面16和第二反射曲面17在导光板11上形成一对反射曲面。

作为示例，第一反射曲面16和第二反射曲面17形成有不同的曲率半径。第一反射曲面16和第二反射曲面17具有更接近抛物线表面的非球形表面形状，所述抛物线表面是放大1倍或更大的无焦系统曲面形状。在本实施例中，输出侧的第二反射曲面17的曲率半径相对于图像光输入侧的第一反射曲面16的倍率为大于1的值。此外，第一反射曲面16和第二反射曲面17在正交轴方向上的截面具有直线形状。入射到第一反射曲面16和第二反射曲面17的有效光束满足全内反射条件。

在导光板11的平面(图1的B中所示的XY平面)中观察时，导光板11的侧面在第一反射曲面16和第二反射曲面17中具有一些曲率。同时，在与该平面正交的截面(图1的A中所示的XZ平面)上，它们垂直于导光板11的平面。即，导光板11形成为柱面反射镜，其截面形状是具有高阶导数的曲线，例如抛物线、圆或椭圆。在导光板11的截面不垂直的情况下，照射到截面的光的光束角发生变化，并且当光从导光板11向外出射时具有不同的角度。这导致图像质量的劣化。通过这种配置，导光板11可以抑制这种图像质量劣化。

用户例如通过位于与图像形成单元13相对于导光板11相同的一侧的眼睛(Eye)观察由图像光显示的图像，该图像光已经从布置有图像形成单元13的一侧通过输出侧衍射光栅15衍射并且反射并且从导光板11向外出射。

如图1的A所示，从诸如面板之类的图像形成单元13出射的多个图像光线，作为示例，通过投射透镜12被转换(准直)为具有不同视角的准直光线，并且通过导光板11的表面上的输入侧衍射光栅14进一步被转换为具有在导光方向上的角度的光。作为示例，导光板11具有大约1mm或更小的厚度。取入图像光并将其引导到薄平行板中。

在导光板11的XZ平面上的截面上，被引导的光撞击具有与输入侧衍射光栅14相同的间距的输出侧衍射光栅15，并且在用户的眼睛的方向上从导光板11出射。此时，不同角度的被引导入射光线在第一反射曲面16及第二反射曲面17上被反射。输出侧衍射光栅15使不同角度的引导入射光线具有在入射光线进入导光板11之前的角度。当这些光线进入眼睛的瞳孔时，用户可看到图像。

如图2所示，图像显示装置10通过使角度不同的入射光L1、L2、L3在通过输出侧衍射光栅15被引导的同时多次撞击输出侧衍射光栅15的方式，提供光瞳扩展效果。即使在输入侧衍射光栅14在该导光方向上的尺寸相对小的情况下，在视角的入射图像光进入眼睛(Eye)的瞳孔时，也根据光瞳扩展原理提供视角扩大效果。这影响入射光在导光方向上的视角。然而，在与导光方向正交的方向上的视角取决于XY平面上的光路。

(2)传统图像显示装置的配置示例

这里，将参考图3描述根据传统技术的图像显示装置20的配置示例。图3是示出根据传统技术的图像显示装置20的示意性配置图。

图3的A是从上方观察的根据传统技术的图像显示装置20的示意性配置图。图3的B是从图像显示装置20的正面观察时从图3的A位置起沿纸面上的正面方向旋转90度的图像显示装置20的示意性配置图。在图3中，假设用户的视线方向是Z轴上的正方向，图3的纸面的X轴上的右手方向是正方向，图3的B的纸面的上方方向是Y轴上的正方向。

如图3的A所示，作为示例，根据传统技术的图像显示装置20包括导光板21、作为光学系统的投射透镜22、具有出射图像光等的发光光源的图像形成单元23、作为入射耦合器的输入侧衍射光栅24、以及作为出射耦合器的输出侧衍射光栅25。输入侧衍射光栅24和输出侧衍射光栅25设置在导光板21的与光入射面相反的前侧的表面上，以具有相同的间距。

如图3的B所示，在导光板11的XY平面内，使输入侧衍射光栅24在图像光传播方向上的宽度比输出侧衍射光栅15的宽度大。这是为了使光束进入用户的眼睛(Eye)的瞳孔，从而能够得到设计的视角。因此，在图像显示装置20中，在视角方向上的输入侧衍射光栅24的尺寸和光学引擎的尺寸增大。

另外，一般设计成没有入射光撞击导光板21的侧面。这是因为在没有这种设计的情况下，入射光被反射和反转，使得光束角变得与另一视角相同，这导致重影。

这样，在根据传统技术的图像显示装置20中设置的1轴光瞳扩展用导光板21中，在导光方向上输入侧衍射光栅24的尺寸和投射透镜22的尺寸变大，这成为了问题。在这点上，已经提出了通过在两个轴方向上进行光瞳扩展来缩小输入侧衍射光栅的尺寸的技术。然而，该技术存在部件数量增加的问题以及在两个光瞳扩展系统分离的情况下与第一导光轴正交的第一光瞳扩展系统中的视角受到其宽度的限制并且不能充分增大的问题。此外，还在两个光瞳扩展系统不分离的情况下，存在光在两个轴上的传播方向上损失的问题，并且已知效率显著降低。

因此，在根据本实施例的图像显示装置10中，使用积极地利用导光板11的侧面的一对无焦系统曲面来改变光束的光路，使得来自小的输入侧衍射光栅14的光束看起来是来自大的输入侧衍射光栅的光束。

(3)无焦系统的概念

将参照图4和图5描述应用于根据本实施例的图像显示装置10的无焦系统的概念。图4是示出导光板11是基于透射型无焦系统的衍射光栅的布置示例的概念图。图5是示出导光板11是基于反射型无焦系统的衍射光栅的布置示例的概念图。这里，无焦系统是指其中准直光束在准直光束通过透镜、光学元件等之后再次变为准直光束的光学系统。

如图4所示，在透射型无焦系统的情况下，输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15被布置成直线形状，并且具有不同尺寸的两个投射透镜18和19被布置在输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15之间。

通常，可以想到的是，图像显示装置的导光板构成如上所述的透射型无焦系统。然而，在这种情况下，由于每个光学表面使用由于不同折射率而引起的折射率差，因此需要使用不同的折射材料或利用具有不同透镜功能的衍射光栅表面来制造它，以便利用这一点。因此，部件的数量和制造处理的数量增加，并且制造难度增加。另外，如图4所示，输入侧衍射光栅14与输出侧衍射光栅15之间的直线距离D1在导光方向上增大，并且由于与可以使其成为眼镜的导光距离的关系，实际上难以制造。

在这一点上，如图5所示，在反射型无焦系统的情况下，输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15被布置成经由两个抛物面P1和P2上的焦点彼此面对，在垂直于导光方向的方向上彼此偏移，从而实现无焦系统。因此，利用导光板11，通过使光轴偏移，利用光的折返，能够缩短作为眼镜的输入侧衍射光栅14与输出侧衍射光栅15之间的导光方向上的距离D2。因此，图像显示装置10能够通过使用导光板11的侧面来减少部件的数量，并且还能够实现小型化。应当注意，图像显示装置10也可以通过使用作为一对反射曲面的第一反射曲面16和第二反射曲面17以及光学引擎的投射透镜12，来形成作为无焦系统的结构。

在本实施例中，作为示例，第一反射曲面16和第二反射曲面17具有类似于抛物面的非球面形状，并且无焦系统的放大倍数被设计为大约3倍。这样，采用类似于抛物面的形状，可以满足关于从导光板11的XY平面上观察的光在第一反射曲面16和第二反射曲面17上的入射角的全内反射条件。因此，导光板11可以在原理上实现大约100％的高反射。应当注意，虽然随着入射角的倍率的增大，能够使输入侧衍射光栅14的尺寸较小，但是由于它变得更加非对称，因此设计难度也增大。

另外，作为一对曲面的第一反射曲面16和第二反射曲面17形成为曲率半径不同，并且它们在Z轴方向上的截面(XZ面)上具有直线形状，并且与Z轴平行。即，第一反射曲面16和第二反射曲面17在Z轴方向上的截面上不具有任何曲率。另外，至少所述一对曲面需要彼此平行。这是为了在入射光通过无焦系统后，也保持尤其是在XZ平面上的光束角。

导光板11形成为XY平面上的无焦系统，并形成为类似于传统的XZ平面上的光瞳扩展结构的光瞳扩展结构。在本实施例中，第一反射曲面16相对于第二反射曲面17的无焦系统的角倍率M被设置为3x。然而，角倍率M大于1x就足够了。这里，角倍率M是指输入侧曲面IN相对于出射侧曲面OUT的倍率(M＝IN/OUT)。这是因为，这能够使输出侧衍射光栅15的尺寸比输入侧衍射光栅14的尺寸大。应当注意，考虑到设计性能和光学引擎与光瞳之间的距离，能够任意地设计无焦系统的角倍率M。

用于导光板11的无焦系统采用类似于抛物面的非球面形状作为XY平面上的曲面。然而，反射曲面的形状可以是从由抛物面形状、椭圆面形状、球面形状、非球面形状及其组合组成的组中选择的形状。应当注意，在任何形状中，导光板11的YZ平面和XZ平面是垂直的面。

在本实施例中，由于第一反射曲面16和第二反射曲面17上的光的入射角被配置为满足全内反射条件，所以不需要在这些曲面上施加涂层。此外，即使它们不满足全内反射条件，也可以应用本技术。然而，在这种情况下，由于光在第一反射曲面16和第二反射曲面17上反射，因此需要在这些曲面上施加反射涂层。在施加反射涂层的情况下，其可以由金属膜涂层和/或多层膜镜涂层(如铝或银)制成。

(4)衍射光栅的配置示例

接下来，将参考图6和7描述用于根据本实施例的图像显示装置10的衍射光栅的配置示例。图6是示出根据本实施例的表面起伏衍射光栅的表面的配置示例的示意图。图7是示出根据本实施例的反射型体积全息衍射光栅的配置示例的示意图。用于图像显示装置10的衍射光栅可以是表面起伏衍射光栅或者可以是体积全息型衍射光栅。

如图6的A～图6的D所示，作为图像显示装置10的输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15的表面，可以应用二元衍射光栅31、阶梯衍射光栅32、闪耀(blazed)衍射光栅33、倾斜衍射光栅34等。除此之外，也可以应用梯形衍射光栅、超表面衍射光栅、使用全息光学元件(HOE)的衍射光栅等。

在使用阶梯型、闪耀型、梯形型、倾斜型、超表面型或HOE的情况下，采用非对称形状可以提供具有非对称特性的相对于入射方向的衍射效率，并且考虑到光线路径，可以在必要的方向上提高衍射效率。另外，在二元型、阶梯型、闪耀型、梯形型或超表面型的情况下，在输出侧衍射光栅15中，不提供非对称属性，而是在入射角的两个方向上提供对称的衍射效率能够在所述两个方向上使光束扩展。以此方式，合意的是，任意地构成适合于衍射效率和衍射效率的分布的物质，并且也可以在表面上涂敷高折射或金属膜涂层。

如图7所示，在图像显示装置10中的输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15中的每一个是反射型体积全息衍射光栅35的情况下，可以使多个斜面暴露于光，并且实现宽范围的衍射效率，因为关于衍射效率的角分布，波长分布的选择性高。此外，可以形成其中堆叠多个斜面的配置，或者可以形成其中仅一个斜面实现宽范围的衍射效率的配置。

衍射光栅35可以通过将具有恒定间距的多个斜面暴露于干涉光而制造。因此，衍射光栅35能够扩大衍射效率的角度分布。

可以应用于输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15的衍射光栅可以是反射型和/或透射型的。即，输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15两者可以是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅，或者输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15可以是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅。输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15可以根据衍射效率分布、在堆叠多个导光板11的情况下的效率以及重影等而被配置为任何形状。

(5)导光板的堆叠示例

接下来，将参考图8描述根据本实施例的图像显示装置10的导光板的堆叠示例。图8的A是示出两个导光板的堆叠示例的示意图。图8的B是示出三个导光板的堆叠示例的示意图。

如图8的A所示，在图像显示装置10中，可以堆叠两个导光板41和42。在这种情况下，导光板41和导光板42可以由蓝和绿(BG)的两个导光板、绿和红(GR)的两个导光板或相同颜色的两个导光板构成。

如图8的B所示，在图像显示装置10中，可以堆叠三个导光板41至43。在这种情况下，导光板41至43可以用三种RGB颜色分别配置。应当注意，用于图像显示装置10的导光板的堆叠模式不限于此，并且可以堆叠四个或更多个导光板。

以这种方式，图像显示装置10可以通过堆叠多个导光板来配置，所述多个导光板用于着色或视角的扩展以共享视角。在这种情况下，需要在导光板之间的间隙中提供空气层或足够低折射的材料，以便实现全内反射条件。

(6)图像显示方法的示例

接下来，将参考图1、2和5描述使用根据本实施例的图像显示装置10的图像显示方法的示例。

使用图像显示装置10的图像显示方法包括：从图像形成单元13出射图像光的步骤；使出射的图像光入射到导光板11的步骤；使入射到导光板11的图像光被输入侧衍射光栅14折射并且在导光板11内传播的步骤；使从形成在导光板11的侧面的第一反射曲面16入射的图像光沿形成在导光板11的侧面的第二反射曲面17的方向被反射的步骤；以及将在导光板11内传播的图像光从导光板11向外出射以被第二反射曲面17折射的步骤。

根据本实施例的图像显示装置10在导光板11的侧面上形成有利用边缘处的反射的结构，该导光板11具有1轴配置的衍射光栅。在图像显示装置10和使用其的图像显示方法中，它是通过配置无焦系统，通过主动地利用侧面上的反射，将来自小输入侧衍射光栅14的光束转换成好像它是来自大衍射光栅的光束的布置的技术。

此时，无焦系统由导光板11的宽平面中的两个侧面构成，并且它在薄侧面上是直线的，并且在厚度方向上不具有倍率。导光板11的上表面和下表面彼此平行。特别地，当光束在宽平面上的第一反射曲面16和第二反射曲面17上的有效入射角满足全内反射条件时，反射率在原理上为约100％，并且可以高效率实现转换。

因此，根据图像显示装置10和使用该图像显示装置10的图像显示方法，可以提高入射光的使用效率，同时可以通过简化配置来使输入侧衍射光栅14和光学引擎小型化。

2.第二实施例

接下来，将参考图9描述应用于根据第二实施例的图像显示装置的无焦系统的概念。图9是示出根据本实施例的基于反射型无焦系统的衍射光栅的布置示例的概念图。

如图9所示，在根据本实施例的图像显示装置中设置的导光板的侧面上形成两对或更多对反射曲面。在根据本实施例的导光板中，通过将输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15布置成经由四个抛物面P11至P14上的焦点彼此面对，实现无焦系统。

因此，同样对于根据本实施例的导光板，与根据第一实施例的导光板11一样，通过使光轴偏移，利用四次光的折返，可以减小输入侧衍射光栅14和输出侧衍射光栅15之间在作为眼镜的导光方向上的距离。因此，根据本实施例的图像显示装置也可以通过使用导光板的侧面来减少部件的数量并且实现小型化。

3.第三实施例

接下来，将参考图10描述根据本技术的第三实施例的图像显示装置50的配置示例。图10是从上方观察的根据本实施例的图像显示装置50的示意性配置图。根据本实施例的图像显示装置50与根据第一实施例的图像显示装置10的不同之处在于，输入侧衍射光栅和输出侧衍射光栅由棱镜反射镜和多半反射镜代替。

如图10所示，图像显示装置50例如包括导光板51、作为光学系统的投射透镜12、具有出射图像光等的发光光源的图像形成单元13、作为第一光学元件的输入侧的棱镜反射镜52、以及作为第二光学元件的输出侧的多半反射镜53。

应当注意，可以设置单个棱镜反射镜52和单个多半反射镜53，或者可以设置多个棱镜反射镜52和多个多半反射镜53。此外，图像显示装置50可以被配置为在导光板51的输入侧包括多半反射镜53，并且在输出侧包括棱镜反射镜52。

如在根据第一实施例的图像显示装置10中那样，根据本实施例的图像显示装置50通过简化配置，能够在减小输入侧衍射光栅14和光学引擎的尺寸的同时提高入射光的使用效率。

应当注意，本技术可以采用以下配置。

(1)一种图像显示装置，包括：

图像形成单元，其出射图像光；

导光板，其使从图像形成单元出射的图像光入射到导光板，在导光板内部传播，并从导光板向外出射；

第一光学元件，其使入射到导光板的图像光折射并在导光板内部传播；以及

第二光学元件，其使在所述导光板内部传播的所述图像光折射并从所述导光板向外出射，其中

在导光板的侧面形成有至少一对反射曲面，所述至少一对反射曲面将由第一光学元件折射的图像光沿第二光学元件的方向反射。

(2)根据(1)的图像显示装置，其中

所述一对反射曲面以不同的曲率半径形成。

(3)根据(2)的图像显示装置，其中

图像光的输出侧的反射曲面相对于图像光的输入侧的反射曲面的曲率半径的倍率是大于1的值。

(4)根据(1)到(3)中任意一项的图像显示装置，其中

导光板具有平板形状，所述平板形状的平面平行，并且导光板的所述侧面垂直于所述平面。

(5)根据(1)到(4)中任意一项的图像显示装置，其中

所述反射曲面的形状是从由抛物面形状、椭圆面形状、球面形状、非球面形状及其组合组成的组中选择的形状。

(6)根据(1)到(5)中任意一项的图像显示装置，其中

入射到反射曲面的有效光束满足全内反射条件。

(7)根据(1)到(6)中任何一项的图像显示装置，其中

反射涂层被施加到反射曲面。

(8)根据(7)的图像显示装置，其中

所述反射涂层为金属膜涂层和/或多层膜涂层。

(9)根据(1)到(8)中任意一项的图像显示装置，其中

第一光学元件与第二光学元件具有相同的间距和相同的方向。

(10)根据(1)到(10)中任意一项的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是表面起伏衍射光栅。

(11)根据(1)到(10)中任意一项的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是全息光学元件。

(12)根据(1)到(11)中任何一项的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件两者是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅。

(13)根据(1)到(12)中任何一项的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅。

(14)根据(1)到(13)中任意一项的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是棱镜或多镜。

(15)根据(1)到(14)中任何一项的图像显示装置，其中

两对或更多对所述反射曲面被形成在导光板的所述侧面上。

(16)根据(1)到(15)中任意一项的图像显示装置，其中

图像形成单元具有出射图像光的图像生成单元和将从图像生成单元出射的图像光转换为视角的准直光的光学系统。

(17)根据(1)到(16)中任何一项的图像显示装置，其中

图像形成单元具有滤色器。

(18)根据(1)到(17)中任意一项的图像显示装置，其中

导光板包括多个堆叠的导光板。

(19)根据(1)到(18)中任意一项的图像显示装置，其中

图像显示装置是附接到用户的眼睛附近的眼罩。

(20)一种图像显示方法，包括：

出射图像光的步骤；

使出射的图像光入射到导光板的步骤；

使入射到导光板的图像光被第一光学元件折射并在导光板内部传播的步骤；

使入射到第一光学元件的图像光沿第二光学元件的方向被反射的步骤，所述图像光在形成于导光板的侧面上的至少一对反射曲面上被反射；以及

使在所述导光板内部传播的所述图像光被第二光学元件折射并从所述导光板向外出射的步骤。

附图标记列表

10、20、50图像显示装置

11、21、41至43、51导光板

12、18、19、22投射透镜(光学系统)

13，23图像形成单元

14、24输入侧衍射光栅(第一光学元件)

15、25输出侧衍射光栅(第二光学元件)

16第一反射曲面

17第二反射曲面

31至35衍射光栅

52棱镜反射镜

53多半反射镜

Eye眼睛

L1、L2、L3图像光

D1，D2衍射光栅到衍射光栅的距离

P1、P2、P11至P14无焦曲线

Claims (20)

1.一种图像显示装置，包括：

图像形成单元，其出射图像光；

导光板，其使从图像形成单元出射的图像光入射到导光板，在导光板内部传播，并从导光板向外出射；

第一光学元件，其使入射到导光板的图像光折射并在导光板内部传播；以及

第二光学元件，其使在所述导光板内部传播的所述图像光折射并从所述导光板向外出射，其中

在导光板的侧面形成有至少一对反射曲面，所述至少一对反射曲面将由第一光学元件折射的图像光沿第二光学元件的方向反射。

2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

所述一对反射曲面以不同的曲率半径形成。

3.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中

图像光的输出侧的反射曲面相对于图像光的输入侧的反射曲面的曲率半径的倍率是大于1的值。

4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

导光板具有平板形状，所述平板形状的平面平行，并且导光板的所述侧面垂直于所述平面。

5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

所述反射曲面的形状是从由抛物面形状、椭圆面形状、球面形状、非球面形状及其组合组成的组中选择的形状。

6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

入射到反射曲面的有效光束满足全内反射条件。

7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

反射涂层被施加到反射曲面。

8.根据权利要求7所述的图像显示装置，其中

所述反射涂层为金属膜涂层和/或多层膜涂层。

9.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

第一光学元件与第二光学元件具有相同的间距和相同的方向。

10.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是表面起伏衍射光栅。

11.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是全息光学元件。

12.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件两者是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅。

13.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅。

14.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

第一光学元件和第二光学元件是棱镜或多镜。

15.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

两对或更多对所述反射曲面被形成在导光板的所述侧面上。

16.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

图像形成单元具有出射图像光的图像生成单元和将从图像生成单元出射的图像光转换为视角的准直光的光学系统。

17.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

图像形成单元具有滤色器。

18.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

导光板包括多个堆叠的导光板。

19.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中

图像显示装置是附接到用户的眼睛附近的眼罩。

20.一种图像显示方法，包括：

出射图像光的步骤；

使出射的图像光入射到导光板的步骤；

使入射到导光板的图像光被第一光学元件折射并在导光板内部传播的步骤；

使入射到第一光学元件的图像光沿第二光学元件的方向被反射的步骤，所述图像光在形成于导光板的侧面上的至少一对反射曲面上被反射；以及

使在所述导光板内部传播的所述图像光被第二光学元件折射并从所述导光板向外出射的步骤。