TW201704815A - 光學裝置 - Google Patents

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Masayuki Shinohara
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Abstract

本發明欲解決難以令限定在特定方向的光從導光板射出之課題。 本發明之光學裝置係具備：光轉換部，係將來自光源的光進行轉換；導光板，係將藉由光轉換部轉換後的來自光源的光在平行於出射面的面內導引；及偏向部，係令受到導光板導引的光偏向而從出射面射出，藉此形成像；光轉換部係藉由令從光源發出的光在平行於出射面的面內聚光或發散而轉換為從更小的區域發出的光；偏向部係形成依進行觀看的方向而異的像。

Description

光學裝置
本發明係有關光學裝置(device)。
已知有一種能夠進行立體顯像的顯示裝置，其係具有導光板、光源、及配置在導光板表面側的視差屏障(parallax barrier)式或透鏡陣列(lens array)式的遮罩(mask)或透鏡陣列(參照例如下述之專利文獻1)。
專利文獻1 日本國特開2012-008464號公報
導光板內的平行於出射面的面內的各點的光的擴散角愈大，從導光板射出的光的擴散會愈大。因而有難以令限定在特定方向的光從導光板射出的課題。例如，當欲使用導光板來實現以兩眼式和多眼式提供視差圖像的系統(system)，便無法限定形成視點的範圍。
依據本發明的第1態樣，光學裝置係具備：光轉換部，係將來自光源的光進行轉換；導光板，係將藉由光轉換部轉換後的來自光源的光在平行於出射面的面內導引；及偏向部，係令受到導光板導引的光偏 向而從出射面射出，藉此形成像；光轉換部係藉由令從光源發出的光在平行於出射面的面內聚光或發散而轉換為從更小的區域發出的光；偏向部係形成依進行觀看的方向而異的像。
可以為，偏向部係具有複數個光會聚部，該些光會聚部係射入受到導光板導引的光，令實質會聚在空間中的一會聚點或會聚線之方向的出射光、或者實質從空間中的一會聚點或會聚線發散之方向的出射光從出射面射出；複數個光會聚部係沿著在平行於出射面的面內分別預設的線形成；會聚點或會聚線係在複數個光會聚部之間互為不同，藉由複數個會聚點或會聚線的集合而在空間中形成像。
可以為，光轉換部係具有在與導光板的導光方向正交且與出射面平行的方向限制從光源的光出射口射出的光通過之開口。
可以為，光轉換部係具有在平行於出射面的面內將來自光源的光予以聚焦或發散的光轉換元件。
可以為，復具備光源。
依據本發明的第2態樣，光學裝置係具備：雷射(laser)光源；導光板，係將來自雷射光源的光在平行於出射面的面內導引；及偏向部，係令受到導光板導引的光偏向而從出射面射出，藉此形成依進行觀看的方向而異的像。
可以為，偏向部係具有複數個光會聚部，該些光會聚部係射入受到導光板導引的光，令實質會聚 在空間中的一會聚點或會聚線之方向的出射光、或者實質從空間中的一會聚點或會聚線發散之方向的出射光從出射面射出；複數個光會聚部係沿著在平行於出射面的面內分別預設的線形成；會聚點或會聚線係在複數個光會聚部之間互為不同，藉由複數個會聚點或會聚線的集合而在空間中形成像。
可以為，復具備光轉換部，係在平行於出射面的面內將來自光源的光予以聚焦；導光板係射入從雷射光源射出通過光轉換部的光，將射入的光在平行於出射面的面內導引。
可以為，復具備光擴散部，係將射入導光板的光在平行於出射面的面內予以擴散。
可以為，復具備擴散部，係將射入導光板的光在垂直於出射面且沿著導光板的導光方向的面內予以擴散。
可以為，復具備光發散部，係將射入導光板的光在垂直於出射面且沿著導光板的導光方向的面內予以發散後射出至擴散部。
可以為，復具備：光發散部，係將射入導光板的光在垂直於出射面且沿著導光板的導光方向的面內予以擴散；及光平行化部，係將藉由光發散部而擴散的光在垂直於出射面且沿著導光板的導光方向的面內予以平行化後射入導光板。
可以為，復具備反射膜，係設置在出射面的相對側的面，將來自雷射光源的光的波長予以反射，讓其他波長帶的光透射。
可以為，偏向部係以繞射光柵形成。
可以為，偏向部係具有將受到導光板導引的光予以反射的柱狀(cylindrical)形狀的反射面。
可以為，複數個光會聚部的各光會聚部係沿著導光板的導光方向在相異位置具有複數個反射面，該些反射面係射出實質會聚在空間中的一會聚點之方向的出射光或實質從空間中的一會聚點發散之方向的出射光。
可以為，沿著導光板的導光方向在相異位置具有複數個的反射面係形成菲涅耳透鏡(Fresnel lens)。
可以為，偏向部偏係在導光板上形成二眼式或多眼式的視差圖像。
另外，上述發明的概要並未列出本發明的全部特徵。此外，該些特徵群的次組合(sub-combination)亦能成為發明。
6‧‧‧像
10‧‧‧顯示裝置
20、25‧‧‧光源
30‧‧‧光會聚部
40‧‧‧偏向光學面
50‧‧‧入射光調節部
51、52‧‧‧光學元件
55‧‧‧入射光調節部
70‧‧‧導光板
71‧‧‧出射面
72‧‧‧背面
73、74、75、76‧‧‧端面
80‧‧‧反射膜
100‧‧‧顯示裝置
190‧‧‧線
第1圖係概略性顯示一實施形態的顯示裝置10以及投影至空間中的立體像。
第2圖係概略性顯示顯示裝置10的xy剖面。
第3圖係概略性顯示顯示裝置10的yz剖面。
第4圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10A的yz剖面。
第5圖係概略性顯示作為顯示裝置10A變形例的顯示裝置10B的yz剖面。
第6圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10C的yz剖面。
第7圖係概略性顯示作為顯示裝置10C變形例的顯示裝置10D的yz剖面。
第8圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10E的yz剖面。
第9圖係顯示將光源20及入射光調節部50分解的示意性立體圖。
第10圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10F的xy剖面。
第11圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10G的yz剖面。
第12圖係概略性顯示顯示裝置10G的立體圖以及一部分的入射光及出射光。
第13圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10H的yz剖面。
第14圖係概略性顯示顯示裝置10H的立體圖以及一部分的入射光及出射光。
第15圖係概略性顯示作為顯示裝置10C變形例的顯示裝置10I的yz剖面。
第16圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10J的yz剖面。
第17圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10K的xy剖面。
第18圖係說明在平行於出射面71的面內的光的擴散角的幾何關係之圖。
第19圖係概略性顯示作為顯示裝置10K變形例的顯示裝置10L的xy剖面。
第20圖係概略性顯示作為顯示裝置10K變形例的顯示裝置10M的xy剖面。
第21圖係概略性顯示作為顯示裝置10M變形例的顯示裝置10N的xy剖面。
第22圖係概略性顯示作為顯示裝置10K變形例的顯示裝置10O的xy剖面。
以下，透過發明的實施形態來說明本發明，但下述實施形態並不限定申請專利範圍的發明。此外，實施形態中所說明的特徵組合皆未必屬於發明的必要解決手段。
第1圖係概略性顯示一實施形態的顯示裝置10以及投影至空間中的立體像。另外，為了使說明容易明白，實施形態的說明所使用的圖式係採用概略性或示意性的圖式。實施形態的說明所使用的圖式會有未依實際的比例(scale)描繪的情形。
顯示裝置10係具有將光射出的出射面71。顯示裝置10係藉由從出射面71射出的光而形成作為立體像的像6。像6乃係使用者(user)在空間中看到的 立體像。另外，所謂的立體像，係指在不同於顯示裝置10的出射面71之位置看到的像。立體像係例如亦包括在與顯示裝置10的出射面71隔著距離的位置看到的二維像。亦即，立體像之概念，係不僅包括以立體形狀的形態看到的像，亦包括在不同於顯示裝置10的顯示面上之位置看到的二維形狀的像。
顯示裝置10係具備導光板70、光源20及入射光調節部50。導光板70係以透明且折射率較高的樹脂材料成形。形成導光板70的材料係例如可以為聚碳酸酯樹脂(polycarbonate；PC)、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂(polymethylmethacrylate；PMMA)、玻璃(glass)等。
導光板70係具有位在出射面71相對側的背面72。此外，導光板70係具有屬於導光板70四周端面的端面73、端面74、端面75及端面76。端面73乃係導光板70的入光端面。在端面73係設置光源20，來自光源20的光係從端面73射入導光板70。端面74乃係位在端面73相對側的面。端面76乃係位在端面75相對側的面。導光板70係在平行於出射面71的面內以面狀擴散的方式導引來自光源20的光。
在實施形態的說明中，有時會使用x軸、y軸及z軸的右手系的直角座標系。訂z軸方向為垂直於出射面71的方向。將背面72往出射面71的方向訂為z軸正(plus)方向。此外，訂y軸方向為垂直於端面73的方向。將端面73往端面74的方向訂為y軸正方向。x軸為垂直於端面75及端面76的方向，將端面75往端面 76的方向訂為x軸正方向。另外，為了避免記載變得冗長，有時會將平行於xy平面之面稱為xy面、將平行於yz平面之面稱為yz面、將平行於xz平面之面稱為xz面。
光源20乃係雷射光源。光源20係例如具有雷射二極體(laser diode)。光源20係例如為單色的窄波帶的同調(coherent)光。光源20的光軸係實質平行於y軸方向。來自光源20的光係在入射光調節部50進行調整後作為射入導光板70的入射光射入端面73。
在導光板70的背面72係形成有包含光會聚部30a、光會聚部30b及光會聚部30c的複數個光會聚部30。光會聚部30乃係藉由令受到導光板70導引的光偏向而從出射面71射出來形成像的偏向部的一例。光會聚部30係沿著x軸方向實質連續形成。在光會聚部30的x軸方向的各位置係射入受到導光板70導引的光。
此處，係假設受導光板70導引的光不會在沿著yz面的方向擴散來進行說明。光會聚部30係令射入光會聚部30的各位置的光實質會聚在與光會聚部30分別對應的定點。在第1圖係就光會聚部30的一部分而言具體地標示出會聚部30a、光會聚部30b及光會聚部30c，係顯示在光會聚部30a、光會聚部30b及光會聚部30c的各者，從光會聚部30a、光會聚部30b及光會聚部30c的各者射出的複數條光線會聚的樣子。
具體而言，光會聚部30a係與像6上的定點PA對應。來自光會聚部30a的各位置的光線係會聚在 定點PA。因此，來自光會聚部30a的光的波前係成為如同從定點PA發出的光的波前。光會聚部30b係與像6上的定點PB對應。來自光會聚部30b的各位置的光線係會聚在定點PB。如上述，來自任意光會聚部30的各位置的光線係實質會聚在與光會聚部30對應的定點。藉此，藉由任意光會聚部30，能夠提供如同光是從相對應的定點發出的光的波前。各光會聚部30所對應的定點係互為不同，藉由與光會聚部30分別對應的複數個定點的集合而在空間中形成觀看的像6。如此，顯示裝置10係將立體像投影至空間中。在人眼中係依進行觀看的方向而看見從光會聚部30的不同位置射出的光。因此，依進行觀看的方向，在導光板70上會看見不同的像。
在本實施形態中，光會聚部30的各者係含有沿著x軸方向實質連續形成的多個反射面。任意光會聚部30各自所具有的反射面的反射光係會聚在與光會聚部30對應的定點。例如，光會聚部30a所具有的複數個反射面的各者反射的複數條反射光的光線係會聚在定點PA。此外，光會聚部30b所具有的複數個反射面的各者反射的複數條反射光的光線係會聚在定點PB。此外，光會聚部30c所具有的複數個反射面的各者反射的複數條反射光的光線係會聚在定點PC。
另外，受導光板70導引而通過導光板70內的各位置的光束係以將導光板70內的各位置與光源20連結起來之方向為中心具有比預定值小的擴散角。具體而言，通過導光板70內的各位置的光束係在xy面內， 以將導光板70內的各位置與光源20連結起來之方向為中心具有比預定值小的擴散角。此外，在沿著含有將導光板70內的各位置與光源20連結起來之線的與xy面正交的面內，受導光板70導引而通過導光板70內的各位置的光束係以將導光板70內的各位置與光源20連結起來之方向為中心具有比預定值小的擴散角。當光會聚部30設置在遠離光源20的位置時，由導光板70導引而射入光會聚部30的光束係大約以y軸方向為中心有輕微擴散。因此，例如在含有定點PA的平行於xz平面的面，來自光會聚部30a的光係實質會聚在一個定點。另外，在本說明書中，「光束的擴散」係指將通過導光板內外的點的光束視為從該點發散的光束時的光的擴散。此外，有時亦將「光束的擴散」簡稱為「光的擴散」。此外，「光的擴散角」係可以為導光板內外的點的角度方向的光強度分布中光強度成為最大值的一半之位置的寬度(半值全寬)。
如第1圖所示，光會聚部30a係沿著線190a形成。光會聚部30b係沿著線190b形成。光會聚部30c係沿著線190c形成。此處，線190a、線190b及線190c乃係大致平行於x軸的直線。任意光會聚部30係沿著大致平行於x軸的直線實質連續形成。
如上述，光會聚部30係沿著在平行於出射面71的面內分別預設的線形成。此外，光會聚部30的各者係射入受到導光板70導引的光，令實質會聚在空間中的一會聚點之方向的出射光從出射面71射出。另 外，在定點位在導光板70的背面72側的情形中，出射光係變成從定點發散之方向的光。因此，當定點位在導光板70的背面72側時，光會聚部30所具有的反射面係令從空間中的一會聚點實質發散之方向的出射光從出射面71射出。
另外，在受導光板70導引的光沒有在沿著yz面的方向擴散的情形中，如上述，來自光會聚部30的光係實質會聚在定點。另一方面，在受導光板70導引的光有在沿著yz面的方向擴散的情形中，在光會聚部30的反射面反射的光係實質會聚在平行於yz面且平行於出射面的會聚線上。例如，由光會聚部30a會聚的光係實質會聚在含有PA的平行於yz面且平行於出射面的線上。在定點位在導光板70的背面72側的情形中亦同，光會聚部30所具有的反射面係令從空間中的一會聚線實質發散之方向的出射光從出射面71射出。
第2圖係概略性顯示顯示裝置10的xy剖面。第3圖係概略性顯示顯示裝置10的yz剖面。入射光調節部50係具有光學元件51及光學元件52。光學元件51及光學元件52係在來自光源20的光前進的方向，沿著光源20的光軸，以光學元件51、光學元件52的順序設置。具體而言，光學元件52係設置在端面73，光學元件51係設置在光學元件52與光源20之間。來自光源20的光係依序通過光學元件51及光學元件52後射入導光板70的端面73。
光學元件51乃係將來自光源20的光進行轉換的光轉換部的一例。光學元件51係令從光源20發出的光在平行於出射面71的面內聚光或發散，藉此轉換成從更小的區域發出的光。具體而言，光學元件51係在平行於出射面71的面內將來自光源20的光予以聚焦。另外，光學元件51係將來自光源20的光轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光後，沿著導光板70的導光方向朝導光板70射出。光學元件51乃係在平行於出射面71的面內擁有正光學倍率的透鏡。具體而言，光學元件51乃係聚光透鏡，將來自一點的光束實質聚光。具體而言，光學元件51係將來自一點的光束在平行於出射面71的面內予以聚光。光學元件51係在平行於出射面71的面內將來自雷射光源20的光出射口的各點的光予以聚光。
光學元件51係將從光源20的光出射口的中心射出的光束聚光在光學元件52的位置或光學元件52附近的位置。如上述，藉由光學元件51，來自光源20的光出射口的各點的光束係分別在沿著y軸的方向聚光在光學元件52的位置或光學元件52附近的位置。藉此，相較於不存在光學元件51的情形，能夠縮小光學元件52之位置的光束徑。也就是說，光學元件51係提供比光源20小的模擬光源。藉此，在平行於出射面71的面內的各點，受導光板70導光的光的擴散角係在平行於出射面71的面內變得比預定值小。
光學元件52係將射入的光在平行於出射面71的面內予以擴散。具體而言，光學元件52係藉由將射入的光予以擴散而使之在平行於出射面71的面內擴散。光學元件52乃係將要射入導光板70的光在平行於出射面71的面內予以擴散的光擴散部的一例。
依據入射光調節部50，關於來自光源20的光，入射光束在光學元件52的位置被限縮，射入光學元件52的光束係成為比較小徑的光束。接著，藉由光學元件52，使來自光源20的光在xy面內擴散。因此，當投影在xy面內時，相較於不存在入射光調節部50的情形，能夠使射入導光板70的光接近為從點光源發出後才開始擴散的光。藉此，能夠在xy面內縮小導光板70內的各點的光的擴散角。因此，能夠減輕光會聚部30的各反射面所反射的光的擴散。因此，能夠減輕像6的模糊。
另外，如第3圖所示，在導光板70的背面72係設置反射膜80。反射膜80係將來自光源20的光的波長實質予以反射，讓其他波長帶的光實質透射。例如，反射膜80係讓來自光源20的光的波長帶之外的屬於可見光波長帶的光實質透射。藉此，能夠抑制來自光源20的光於傳播在導光板70的途中外漏。此外，能夠提供觀看者觀看呈透明的顯示裝置100。
另外，光學元件52係可以藉由將射入的光在xy面內予以擴散的凹凸圖案(pattern)等來實現。光學元件52係可以為朝z軸方向延伸的凸部及凹部在沿著x軸方向的方向交替出現之凹凸圖案。此外，光學元件 52係可以為以端面73的一部分的形式形成而非為與導光板70分開的構件。此外，就顯示裝置10的變形例而言，可以採用不具有光學元件52的形態。光學元件51係可以為擁有負光學倍率的透鏡。此時，光學元件51的焦點係可以位在端面73的位置或端面73附近的位置。
此外，就顯示裝置10的其他變形例而言，亦可採用不具有入射光調節部50的形態。此外，亦可改使用發散光源取代光源20，將藉由透鏡等光學元件而將來自該發散光源的光予以實質準直化(collimate)後的光作為射入入射光調節部50的入射光使用。
第4圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10A的yz剖面。顯示裝置10A係具備與入射光調節部50對應的入射光調節部50A，除了入射光調節部50A所具有的光學元件52A的特性不同於光學元件52這點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。
光學元件52A係將射入的光在垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方向之面的面內予以擴散。具體而言，光學元件52A係藉由將射入的光予以擴散而將射入的光在yz面內予以擴散。光學元件52A乃係令射往導光板70的光在垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方向的面內擴散的光擴散部的一例。
第4圖係顯示沿著光源20的光軸之方向的光線射入光學元件52A的樣子。如第4圖所示，來自光源20的光係在藉由光學元件52A成為在yz面內擴散的光後射入導光板70內。因此，相較於顯示裝置10， 射入導光板70的入射光係以多種角度射入端面73。因此，相較於顯示裝置10，傳播在導光板70內的光在背面72進行反射的部位不易集中在特定的部位。因此，相較於顯示裝置10，能夠使平行於出射面71的面內的光量不易產生不均。
光學元件52A係可以為朝x軸方向延伸的凸部及凹部在沿著z軸方向的方向交替出現之凹凸圖案。光學元件52A係可以為以端面73的一部分的形式形成而非為與導光板70分開的構件。另外，光學元件52A係除了將光在yz面內予以擴散的特性之外，亦可具有將光在xy面內予以擴散的特性。藉此，能夠提供除了具有關聯於顯示裝置10A而說明的上述功能之外還具有關聯於顯示裝置10而說明的前述功能之顯示裝置。
第5圖係概略性顯示作為顯示裝置10A變形例的顯示裝置10B的yz剖面。顯示裝置10B係具備與入射光調節部50對應的入射光調節部50B，除了入射光調節部50B所具有的光學元件51B的特性不同於光學元件51的特性這點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。
光學元件51B係將射入的光在垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方向之面的面內予以擴散。具體而言，光學元件51B係藉由將射入的光予以發散而在yz面內予以擴散。光學元件51B乃係將射入的光在垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方向之面的面內予以發散的光發散部的一例。光學元件51B係例如 為擁有負光學倍率的發散透鏡。如上述，光學元件51B係將射入的光在yz面內予以擴散後射入光學元件52A。另外，光學元件51B係未在xy面內將射入的光實質發散。
第5圖係顯示來自光源20的三條光線射入光學元件51B的樣子。如第5圖所示，來自光源20的光係在藉由光學元件51A成為在yz面內發散的光後射入光學元件52A。接著，藉由光學元件52A而擴散的光射入導光板70內。因此，相較於顯示裝置10A，射入導光板70的入射光係從z方向上的不同的多個位置以多種角度射入端面73。因此，相較於顯示裝置10A，能夠使傳播在導光板70內的光在背面72進行反射的部位在y軸方向上更加分散。因此，例如能夠使沿著y軸方向的週期性濃淡的條紋圖樣不易出現。另外，同顯示裝置10A，光學元件52A係可以為以端面73的一部分的形式形成而非為與導光板70分開的構件。
第6圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10C的yz剖面。顯示裝置10C係具備與入射光調節部50對應的入射光調節部50C，除了入射光調節部50C所具有的光學元件51C的特性不同於光學元件51特性、入射光調節部50C所具有的光學元件52C的特性不同於光學元件52這點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。光學元件51C係具有與光學元件51B相同的特性，故省略其說明。
光學元件52C係將藉由光學元件51C而擴散的光沿著垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方 向的面內予以平行化後射入導光板70。光學元件52C係例如為擁有正光學倍率的透鏡。光學元件52C乃係光平行化部的一例。另外，光學元件51C係可將射入的光予以完全平行化，亦可將射入的光予以實質平行化。此外，光學元件52C係可將射入的光以使之成為發散角比從光源20射出的光的發散角小的光之方式予以平行化。另外，光學元件52C係未在xy面內將射入的光予以平行化。
依據顯示裝置10C，能夠抑制傳播在導光板70內的光的yz面內的擴散角變大。因此，能夠減輕來自光會聚部30各者的光的擴散。因此，導光板70的光會聚部30各者係能夠將如同實質會聚在各自對應的會聚點的光從導光板70射出。
第7圖係概略性顯示作為顯示裝置10C變形例的顯示裝置10D的yz剖面。顯示裝置10C係除了光源及入射光調節部有複數個這點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。顯示裝置10D係改具備光源20D及入射光調節部50D取代顯示裝置10C的光源20及入射光調節部50C。此外，顯示裝置10D係復具備光源25D及入射光調節部55D。
光源20D及光源25D係具有與光源20相同的功能。光源20D係與光源25D不同方向。具體而言，在yz面內，光源20D的光軸的方向係與光源25D的光軸的方向不同。具體而言，光源20D的光軸及光源25D的光軸係位在平行於yz面的同一面內，但光源20D的光軸的方向與光源25D的光軸的方向並不相同。另外，光 源20D的光軸與端面73所成之最小角度係實質相同於光源25D的光軸與端面73所成之最小角度。
入射光調節部50D係以使入射光調節部50D所具有的光學元件的中心軸實質與光源20D的光軸一致之方式設置。入射光調節部55D係以使入射光調節部55D所具有的光學元件的中心軸實質與光源25D的光軸一致之方式設置。
依據顯示裝置10D，能夠既抑制射入光會聚部30的傳播在導光板70內的光的yz面內的擴散變大，也抑制在平行於背面72的面內產生反射集中的部位，能夠使平行於出射面71的面內的光量不易產生不均。另外，顯示裝置10D雖係具備兩組不同光軸的光源及入射光調節部，但亦能夠採用具備三組以上不同光軸的光源及入射光調節部的形態。
第8圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10E的yz剖面。顯示裝置10A係具備與入射光調節部50對應的入射光調節部50E，除了入射光調節部50E所具有的光學元件51E的特性不同於光學元件51、入射光調節部50E所具有的光學元件52E的特性不同於光學元件52這點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。
入射光調節部50E係將來自光源20的光在沿著平行於出射面的面、及垂直於出射面且沿著導光板的導光方向的面其中至少一者的面內予以擴散後沿著導光板的導光方向射入導光板內。具體而言，入射光調 節部50E係具有光學元件51E及光學元件52E。第9圖係顯示將光源20及入射光調節部50分解的示意性立體圖。
入射光調節部50E係將來自光源20的光在平行於出射面71的面內及沿著垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方向的面內兩面內予以擴散後沿著導光板70的導光方向射入導光板70內。光學元件51E係將沿著導光板70的導光方向之方向的光在垂直於出射面71且沿著導光板70的導光方向之面的面內予以擴散。光學元件52E係將藉由光學元件51E而擴散的光在平行於出射面71的面內予以擴散後射入導光板70。具體而言，光學元件52E係將藉由光學元件51E而在yz面內擴散的光予以擴散，藉此在xy面內予以擴散並且在yz面內予以擴散。
藉此，當投影在xy面內時，從端面73射入而傳播在導光板70內的光束係成為實質從點光源發出的光一邊在xy面內擴散一邊前進的光束。另一方面，當投影在yz面內時，從端面73射入而傳播在導光板70內的光束係以多種角度在出射面71與背面72之間一邊反射一邊前進。因此，來自一光會聚部30的光係在yz面內射向多種方向。另一方面，在xy面內，係成為實質從點光源發出的光往前行進的光束，因此在xy面內，會聚點或會聚點不會大幅抖動。因此，觀看者係能夠從多種方向看到立體像6。
此外，屬於雷射光的光源20的光係在以光學元件51E擴散後，藉由光學元件52E而在z方向上的不同的位置再次擴散。因此，能夠抑制雷射斑點(speckle)。另外，亦可藉由令光源20在平行於z軸方向的方向振盪來抑制雷射斑點。
另外，就顯示裝置10E的變形例而言，可以採用光學元件52E不具有將光在yz面內予以擴散之功能的形態。此外，就顯示裝置10E的其他變形例而言，可以採用光學元件52E不具有將光在xy面內予以擴散之功能的形態。此外，就顯示裝置10E的其他變形例而言，可以採用不具有光學元件52的形態。此外，就顯示裝置10E的其他變形例而言，亦可以採用不具有入射光調節部50的形態。此外，在顯示裝置10E及顯示裝置10E的變形例中，光學元件52E係可以為以端面73的一部分的形式形成而非為與導光板70分開的構件。
第10圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10F的xy剖面。顯示裝置10A係除了導光板70F所具有的光會聚部30F的構成不同於光會聚部30這點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。相對於光會聚部30具有複數個反射面，光會聚部30F乃係繞射光柵。光會聚部30F係藉由將傳播在導光板70內的光予以繞射而使預定方向的光從出射面71射出。光源20乃係雷射光源，來自光源20的光乃係實質單一波長且同調的光。因此，光會聚部30使用繞射光柵同樣能夠抑制出射光方向散亂。
藉由光會聚部30使用繞射光柵，相較於使用反射面的情形，能夠縮短光會聚部30的y方向的長度。因此，能夠以微細的會聚點或會聚線投影立體像。此外，能夠細密地形成繞射光柵的圖案間距(pitch)，因此能夠提高立體像的解析度。此外，亦容易調變繞射效率，亦容易調節來自光會聚部30的光量。此外，能夠縮短光會聚部30的y方向的長度，因此能夠使導光板70更加透明化。
另外，在第10圖的例子中係設顯示裝置10F具有入射光調節部50。就顯示裝置10F的再變形例而言，入射光調節部50係可不具有光學元件51。此外，入射光調節部50係亦可採用不具有光學元件51且光學元件52將光在xy面內予以擴散但不將光在yz面內予以擴散之構成。
第11圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10G的yz剖面。第12圖係概略性顯示顯示導光板70G的立體圖以及一部分的入射光及出射光。
顯示裝置10G係改具備具有柱狀形狀之反射面的光會聚部30G取代光會聚部30。具體而言，光會聚部30G係具有沿著x軸方向延伸的柱狀形狀。顯示裝置10G係除了上述點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。
在顯示裝置10G中，傳播在導光板70內的光在yz面內並未有多種方向成分，但因光會聚部30G 具有柱狀形狀，而相應於射向光會聚部30G的光的入射位置，在yz面內產生不同方向的出射光。藉此，不需設置將光在yz面內予以擴散的擴散部便能夠增加能夠提供立體像的方向。
在不同於本變形例，光會聚部30使用平面的反射面的情形中，出射光的yz面內的擴散係依存於導光板70內的yz面內的擴散。因此，當為了將來自導光板70的出射光提供至yz面內的廣範圍而加大傳播在導光板70內的光的yz面內的擴散，有時來自導光板70的出射光的擴散便會同樣地加大。相對於此，在顯示裝置10G中，來自導光板70的出射光的擴散係以柱狀形狀的曲面決定。因此，藉由對形成光會聚部30的曲面形狀進行調整，便容易控制yz面內的出射光的擴散。例如，容易令光的擴散就各個位置而異。此外，亦容易令光的擴散相應於立體像的設計(design)而異。
第13圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10H的yz剖面。第14圖係概略性顯示導光板70H的立體圖以及一部分的入射光及出射光。
顯示裝置10H係改具備光會聚部30H取代光會聚部30。光會聚部30H係具有射出會聚在定點P的光之菲涅耳透鏡的形狀。顯示裝置10H係除了上述點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。
在顯示裝置10H中，一個光會聚部30H所含有的複數個反射面係形成對應一個定點P的一個菲涅耳透鏡的反射面。來自光會聚部30H的出射光係實質 會聚在定點P。依據顯示裝置10H，能夠提供從P點朝多種方向產生的光而非從線產生的光。因此，能夠提供更加完全的立體像。
第15圖係概略性顯示作為顯示裝置10H變形例的顯示裝置10I的yz剖面。顯示裝置10I係改具有入射光調節部50I取代入射光調節部50C。除了上述點外，顯示裝置10I係具有與顯示裝置10H大致相同的構成。
入射光調節部50I係具有對應光學元件52H的光學元件52I。光學元件52I係不僅同光學元件52C將射入的光在xy面內予以擴散，亦將光在yz面內予以擴散。其中，光學元件52I所擴散在yz面內的光的擴散量係限制在預設的量。例如，光學元件521所擴散的在yz面內的光的擴散量係限制在能夠讓從對應不同定點的光會聚部30H而來的光束在y軸方向上分離開來之程度的擴散。藉此，能夠抑制變得只能夠在特定方向提供立體像。
第16圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10J的yz剖面。在顯示裝置10J中，光係從背面72射入導光板70而非從端面73。此外，在導光板70的出射面71係具有偏向光學面40。顯示裝置10H係除了上述該些點外，具有與顯示裝置10大致相同的構成。
偏向光學面40係將從背面72射入導光板70的光朝導光板70的導光方向予以偏向。偏向光學面 40係例如為繞射光柵，藉由將從背面72射入導光板70的光予以繞射而朝導光板70的導光方向偏向。
另外，亦可採用將偏向光學面設在背面72的形態。此外，就其他形態而言，亦可採用光源20及入射光調節部50設在出射面71側，以光射入導光板70的面為出射面71的形態。此時，可將偏向光學面設在背面72，亦可設在出射面71。
在上述所說明的實施形態中，來自光源20的光的波長帶係屬於單色的窄波帶的波長帶。然而，光源20係可以為發出複數種顏色的雷射光之雷射光源。例如，光源20係可以為發出三種相異顏色的雷射光之雷射光源。在使用發出相異顏色的雷射光之複數個雷射光源作為光源20時，光源20係可以將來自各雷射光源的雷射光混合，從一個光出射口射出。
第17圖係概略性顯示作為顯示裝置10變形例的顯示裝置10K的xy剖面。顯示裝置10K係改具備光源20K取代光源20，改具備入射光調節部50K取代入射光調節部50。除了上述點外，顯示裝置10K係具有與顯示裝置10大致相同的構成。
光源20K乃係發散光源。光源20K係例如為LED(Light-Emitting Diode；發光二極體)等。光源20K係從光出射口的各點射出發散的光。入射光調節部50K係具有對應光學元件51的光學元件51K。光學元件51K係將從光源20K射出的光在xy面內予以聚光。光學元件51K係將來自光源20K的出射口的各點的光在光學元件52的位置或光學元件52附近的位置予以聚光。
光學元件51K的聚光特性係可以與光學元件51的聚光特性不同。例如，光學元件51K係擁有使形成在光學元件52之位置的光源20K的光出射口的像的大小成為比光源20K的光出射口的大小還小之程度的光學倍率。例如，從光源20K的光出射口的x軸方向的一方端點p1而來的光束係在光學元件52的位置聚光在點q1。此外，從光源20K的光出射口的x軸方向的另一方端點p2而來的光束係在光學元件52的位置聚光在點q2。此處，點q1與點q2之間的距離係比端點p1與端點p2之間的距離短。如上述，光學元件51K係將來自光源20的光轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光後，沿著導光板70的導光方向朝導光板70射出。因此，相較於不存在入射光調節部50K的情形，能夠使射入導光板70的光更接近為發自點光源的光。
第18圖係說明在平行於出射面71的面內的光的擴散角的幾何關係之圖。點A係能夠代表導光板70內的任意點。光的擴散角乃係通過點A的光線所形成的光束的最大角度。
在不存在光學元件51K的情形中，通過點A的光係實質在角度α的範圍內通過。角度α乃係由將光出射口的端點p1與點A連結起來之線、和將光出射口的端點p2與點A連結起來之線所成之角度。
在存在光學元件51K的情形中，通過點A的光係實質在角度β的範圍內通過。角度β乃係由將端點q1與點A連結起來之線、和將連結端點q2與點A連 結起來之線所成之角度。如上述，藉由存在光學元件51，來自光源20的光係轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光。因此，光會聚部30反射的光的擴散角亦變小。因此，相較於不存在光學元件51K的情形，能夠減輕立體像的模糊。因此，能夠利用LED等發散光源來提供解析度高的像。
另外，此處係為了使說明容易明白，以與光源的光出射口之間的關聯來訂定光的擴散角，不考慮光源的光出射口內的光強度分布。就平行於出射面71的面內的光的擴散角而言，可以使用平行於出射面71的面內的角度方向的光強度分布中光強度成為最大值的一半之位置的寬度(半值全寬)。
另外，就顯示裝置10K的變形例而言，可以採用沒有設置光學元件52的形態。此外，亦可將顯示裝置10K的光源20K及光學元件51K的構成使用於前述的顯示裝置10的任意變形例。
第19圖係概略性顯示作為顯示裝置10K變形例的顯示裝置10L的xy剖面。顯示裝置10L係改具備設置在端面73的光學元件51L作為入射光調節部取代入射光調節部50K。
光學元件51L乃係從端面73朝y軸負(minus)方向突出的部分。藉由光學元件51L，能夠同光學元件51K，將來自光源20的光轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光。因此，能夠減輕立體像的模糊。
第20圖係概略性顯示作為顯示裝置10K變形例的顯示裝置10M的xy剖面。顯示裝置10M係具備與入射光調節部50K對應的入射光調節部50M。除了上述點外，顯示裝置10M係具有與顯示裝置10K大致相同的構成。
入射光調節部50M係具有對應光學元件51K的光學元件51M。光學元件51M係在平行於出射面71的面內擁有負光學倍率。光學元件51M係將從光源20K射出的光予以發散。
例如，來自光源20K的光出射口的x軸方向的一方端點p1的光束係藉由光學元件51M而發散，轉換為如同從點q1發出的光束。此外，來自光源20K的光出射口的x軸方向的一方端點p2的光束係藉由光學元件51M而發散，轉換為如同從點q2發出的光束。此處，點q1與點q2之間的距離係比端點p1與端點p2之間的距離短。如上述，藉由光學元件51M，使光源20K的光出射口的虛像的x軸方向的寬度變小。此外，在導光板70內係射入如同從該虛像內的點發散的光。因此，藉由光學元件51M，同樣能夠將來自光源20的光轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光後，沿著導光板70的導光方向射入導光板70。因此，能夠減輕立體像的模糊。此外，能夠擴大射入導光板70的光束的角度Φ，因此光係在導光板70內迅速地擴散。因此，能夠縮小導光板70的無效區(dead space)。
另外，亦可將顯示裝置10M的光源20K及光學元件51M的構成使用於前述的顯示裝置10的任意變形例。
第21圖係概略性顯示作為顯示裝置10M變形例的顯示裝置10N的xy剖面。顯示裝置10N係改具備設置在端面73的光學元件51N作為入射光調節部取代入射光調節部50M。
光學元件51N乃係從端面73朝y軸正(plus)方向凹設的部分。藉由光學元件51N，同樣能夠同光學元件51M，將來自光源20的光轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光。因此，能夠減輕立體像的模糊。
第22圖係概略性顯示作為顯示裝置10K變形例的顯示裝置10O的xy剖面。顯示裝置10O係具備與入射光調節部50K對應的入射光調節部50O。除了上述點外，顯示裝置10M係具有與顯示裝置10K大致相同的構成。
入射光調節部50O係具有對應光學元件51K的光學元件51O。光學元件51O乃係遮光部，係具有在x軸方向限制從光源20K的光出射口射出的光通過之開口。光學元件51O的開口的中心係與光源20K的光出射口的中心大致一致。光源20K的光出射口係在x軸方向具有寬度L1。光學元件51O的開口係在x軸方向具有比寬度L1小的寬度L2。因此，光學元件51O係能夠將來自光源20K的光轉換為在平行於出射面71的面內的光的擴散角更小的光。因此，能夠減輕立體像的模糊。
另外，亦可將顯示裝置10O的光源20K及光學元件51O的構成使用於上述的顯示裝置10的任意變形例。
依據上述說明的顯示裝置10及顯示裝置10的各種變形例，能夠將光線在行進方向取樣(sampling)，重現從物體發出的光線。具體而言，能夠提供利用在平行於出射面71的面內輕微擴散的光模仿從物體發出的光線而成之光。因此，能夠提供模糊小的立體像。此外，能夠以小間距設置會聚點，因此能夠提高立體像的解析度。
就一例而言，當光的擴散角為1°時，在自導光板的出射面上沿z軸方向距離10cm的位置，反射光係成為在xz面內具有約1.7mm的擴散之光束。當如前述的顯示裝置10和其變形例，以光的會聚點的集合來形成立體像的方式時，來自一個光學面的光束的擴散係較佳為更小。
若具體說明之，考慮就空間中的取樣點而言為了獲得期望的取樣密度而以0.5mm程度的間距設定會聚點時的情形。為了提供能夠獲得某程度立體感的像，係較佳為將自導光板的出射面沿z軸方向距離30mm程度以上的點設定為會聚點。當光的擴散角為1°時，在自出射面71距離30mm的位置，光束的直徑成為0.52mm。因此，為了以0.5mm程度的間距設定會聚點，光的擴散角係較佳為未達1°。
另外，當導光板的出射面到會聚點為止的z軸方向的距離更短時，能夠使用1°以上的預定值作為光的擴散角度的上限。例如，光的擴散角度係可以為未達5°。在將自導光板的出射面沿z軸方向距離5mm程度的點設定為會聚點的情形中，只要光的擴散角度未達5°，便能夠以0.5mm以下的間距設定會聚點。此外，在必須將自導光板的出射面沿z軸方向距離30mm程度以上的點設定為會聚點的情形中仍能夠將空間中的取樣點的間距設為比0.5mm長時，同樣能夠使用1°以上的預定值作為光的擴散角度的上限。此外，就光的擴散角的上限預定值而言，能夠使用上述的1°、5°之外的多種角度。另外，光的擴散角係可以為將光束投影在xy面時的角度。此外，光的擴散角係可以為將光束投影在yz面時的角度。此外，光的擴散角係可以為將光束投影在含有將位置與光源連結起來之直線的與導光板的出射面正交之面時的角度。
接著，考慮使用LED作為光源的影響。例如，在使用白色LED的情形中，必須在發光面內設置各種顏色的發光晶粒(chip)，因此LED的光出射口大。假設LED的光出射口的x軸方向的寬度為2mm，則在自導光板的入光端面距離20mm的點係產生約5.7°的光的擴散角。在自導光板的入光端面距離50mm的點仍會產生約2.3°的光的擴散角。在遠離入光端面的區域，光的擴散角雖能夠成為1°以下，但若僅在該區域形成反射面，導光板便會產生大片的無效區。另外，即使在LED與入 光端面之間設置準直透鏡，在將LED與準直透鏡之間設置成短距離的情形中，光的擴散角仍會變大。如上述，在單單使用LED等發散光源時係存在上述課題，相對於此，依據顯示裝置10及顯示裝置10的各種變形例，能夠解決該些課題。
另外，能夠將顯示裝置10及顯示裝置10的各種變形例進行變形，而提供藉由視差圖像模擬提供立體像的二眼式或多眼式的顯示裝置。例如，在提供二眼式的顯示裝置的情形中，可藉由設置將右眼用的視差圖像形成在導光板70上的第1反射面群、及將左眼用的視差圖像形成在導光板70上的第2反射面群，而提供右眼用及左眼用的視差圖像。依據作為顯示裝置10變形例的二眼式或多眼式的顯示裝置，能夠限定形成視點的範圍來提供視差圖像。例如，能夠僅對位在特定狹小區域的人物提供視差圖像。
以上，利用實施形態說明了本發明，但本發明的技術範圍並不限定在上述實施形態記載的範圍。對本技術領域人員而言，無疑能夠在上述實施形態加上各種變更或改良。從申請專利範圍的記載可知，本發明的技術範圍亦能夠涵蓋加上該些變更或改良的形態。
申請專利範圍、說明書及圖式中所揭示的裝置、系統(system)、程式(program)及方法的動作、程序、步驟及階段等各處理的執行順序係並未特別明示有「早於」、「先於」等，此外，應注意除非是將前處理的輸出用於後處理，不然當能以任意順序實現。關於申請 專利範圍、說明書及圖式中的動作流程(flow)之說明，即使為求簡單而有使用「首先」、「接著」等，也並不代表就必須以該順序實施。
10‧‧‧顯示裝置
20‧‧‧光源
30‧‧‧光會聚部
50‧‧‧入射光調節部
51、52‧‧‧光學元件
70‧‧‧導光板
73、74‧‧‧端面

Claims (18)

  1. 一種光學裝置，係具備：光轉換部，係將來自光源的光進行轉換；導光板，係將藉由前述光轉換部轉換後的來自前述光源的光在平行於出射面的面內導引；及偏向部，係令受到前述導光板導引的光偏向而從前述出射面射出，藉此形成像；前述光轉換部係藉由令從前述光源發出的光在平行於前述出射面的面內聚光或發散而轉換為從更小的區域發出的光；前述偏向部係形成依進行觀看的方向而異的像。
  2. 如請求項1之光學裝置，其中前述偏向部係具有複數個光會聚部，該些光會聚部係射入受到前述導光板導引的光，令實質會聚在空間中的一會聚點或會聚線之方向的出射光、或者實質從空間中的一會聚點或會聚線發散之方向的出射光從前述出射面射出；前述複數個光會聚部係沿著在平行於前述出射面的面內分別預設的線形成；前述會聚點或會聚線係在前述複數個光會聚部之間互為不同，藉由複數個前述會聚點或會聚線的集合而在空間中形成像。
  3. 如請求項1或2之光學裝置，其中前述光轉換部係具有在與前述導光板的導光方向正交且與前述出射面平行的方向限制從前述光源的光出射口射出的光通過之開口。
  4. 如請求項1或2之光學裝置，其中前述光轉換部係具有在平行於前述出射面的面內將來自前述光源的光予以聚焦或發散的光轉換元件。
  5. 如請求項1或2之光學裝置，其中復具備前述光源。
  6. 一種光學裝置，係具備：雷射光源；導光板，係在平行於出射面的面內導引來自前述雷射光源的光；及偏向部，係令受到前述導光板導引的光偏向而從前述出射面射出，藉此形成依進行觀看的方向而異的像。
  7. 如請求項6之光學裝置，其中前述偏向部係具有複數個光會聚部，該些光會聚部係射入受到前述導光板導引的光，令實質會聚在空間中的一會聚點或會聚線之方向的出射光、或者實質從空間中的一會聚點或會聚線發散之方向的出射光從前述出射面射出；前述複數個光會聚部係沿著在平行於前述出射面的面內分別預設的線形成；前述會聚點或會聚線係在前述複數個光會聚部之間互為不同，藉由複數個前述會聚點或會聚線的集合而在空間中形成像。
  8. 如請求項6或7之光學裝置，其中復具備光轉換部，係在平行於前述出射面的面內將來自前述光源的光予以聚焦； 前述導光板係射入從前述雷射光源射出通過前述光轉換部的光，將射入的光在平行於前述出射面的面內導引。
  9. 如請求項1或2之光學裝置，其中復具備光擴散部，係將射入前述導光板的光在平行於前述出射面的面內予以擴散。
  10. 如請求項1或2之光學裝置，其中復具備擴散部，係將射入前述導光板的光在垂直於前述出射面且沿著前述導光板的導光方向的面內予以擴散。
  11. 如請求項10之光學裝置，其中復具備光發散部，係將射入前述導光板的光在垂直於前述出射面且沿著前述導光板的導光方向的面內予以發散後射出至前述擴散部。
  12. 如請求項1或2之光學裝置，其中復具備：光發散部，係將射入前述導光板的光在垂直於前述出射面且沿著前述導光板的導光方向的面內予以擴散；及光平行化部，係將藉由前述光發散部而擴散的光在垂直於前述出射面且沿著前述導光板的導光方向的面內予以平行化後射入前述導光板。
  13. 如請求項6或7之光學裝置，其中復具備反射膜，係設置在出射面的相對側的面，將來自前述雷射光源的光的波長予以反射，讓其他波長帶的光透射。
  14. 如請求項6或7之光學裝置，其中前述偏向部係以繞射光柵形成。
  15. 如請求項1或2之光學裝置，其中前述偏向部係具有將受到前述導光板導引的光予以反射的柱狀形狀的反射面。
  16. 如請求項2或7之光學裝置，其中前述複數個光會聚部的各光會聚部係沿著前述導光板的導光方向在相異位置具有複數個反射面，該些反射面係射出實質會聚在前述空間中的一會聚點之方向的出射光或實質從空間中的一會聚點發散之方向的出射光。
  17. 如請求項16之光學裝置，其中沿著前述導光板的導光方向在相異位置具有複數個的反射面係形成菲涅耳透鏡。
  18. 如請求項1或6之光學裝置，其中前述偏向部係在前述導光板上形成二眼式或多眼式的視差圖像。
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