图像显示设备的制作方法

专利名称：图像显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于使观测者能够观测由图像形成装置等形成的 二维图像的图像显示设备。
背景技术：
存在一些虚像显示设备(图像显示设备)，每种都以由虚拟光 学系统放大的虚像的形式使观测者能够观测由图像形成装置形成 的二维图像，例如，如日本未审查专利申请公开(PCT申请的翻译) 第2005-521099号和日本未审查专利申诮7>开第2006-162767号中
所披露。
图11示出了示例性的图像显示设备410的概念图。图像显示 设备410包括具有以二维矩阵方式配置的多个像素的图像形成装置 411， ^f吏从图〗象形成装置411的i象素中发射出的光准直的准直 (collimating )光学系统412,以及4妾收经准直光学系统412准直为 在不同方向上传输的多条定向光线的光、引导该光通过、并且输出 该光的光学装置20。光学装置20包括在其内部4安全反射方式传才番 接收的光并输出传播的光的导光板21，通过导光板21反射接收的光以使由导光板21接收的光在导光板21内被全反射的第一光学部 件30(例如， 一层反射膜)，以及使在导光板21内按全反射方式传 播的光从导光板21射出的第二光学部件40 (例如， 一个多层反射 膜，其中堆叠了多层薄膜)。包括具有上述结构的图像显示设备410 的仪器，诸如头戴显示器(HMD),可以被制造得更轻更小。

发明内容
现有技术中的图像显示设备410被设计为使得自图像形成装置 411的中心射出并经过图^f象形成装置411附近的准直光学系统412 的节点(下文也称为"前节点")的中心光线CL垂直地射入导光才反 21，即，自图4象形成装置411的中心射出并经过准直光学系统412 的前节点的中心光线CL以零度入射到导光板21上。虽然在导光一反 21的入射面上设置了一层抗反射薄膜(未示出)，但是参考图12中 示出的概念图，入射到导光板21上的部分光(例如，在图12中表 示为A)可以在导光板21的入射面反射(在图12中表示为B )，并 可以一皮反^St给准直光学系统412然后到图4象形成装置411。
々b殳在图12中示出的图^f象形成装置411的右半部显示"白色" 图像而左半部显示"黑色"图像。在此情况下，"白色"图像部分 可以在导光板21的入射面反射，并可以入射到显示"黑色"图像 的图像形成装置411的左半部上。这种现象可能最终导致图像对比 度减小。更具体地，假设图像形成装置411的右半部显示例如光量 (light quantity )为100的图像，而左半部显示例如光量为4的图像。 如果显示在图j象形成装置411的右半部上的图傳4皮导光玲反21的入 射面反射并且光量为0.4的图像被反馈给图像形成装置411，则一 种具有0.4的光量的幻象出现在图像形成装置411的左半部。幻象 的亮度等于应该被显示的图像的光量4的10%。根据上文，期望提供一种其中没有自图像形成装置射出、透过 准直光学系统、并入射到导光板的光被反馈给图像形成装置的图像 显示设备。
根据本发明的第 一或第二实施例，提供了 一种包括下列元件的
图像显示设备
(A) 图像形成装置，具有以二维矩阵方式配置的多个像素；
(B) 准直光学系统，用于准直从图像形成装置的像素中发射 出的光；以及
(C) 光学装置，用于接收经准直光学系统准直为在不同传播 方向上的多条定向光线的光，引导该光通过，并且输出该光，
其中，光学装置包括下列元件
(a) 导光板，在其内部按全反射方式传播接收的光并输出传 播的光；
(b) 第一光学部件，反射或衍射通过导光板接收的光以使通 过导光板接收的光在导光外反内净皮全反射；以及
(c) 第二光学部件，使在导光板内按全反射方式传播的光自 导光板射出。
在根据本发明第一实施例的图像显示设备中，当自位于离图像 形成装置的中心最远的像素射出并且经过图像形成装置附近的准
直光学系统的节点(前节点)的光以ei角入射到准直光学系统时，
并且当自位于图像形成装置的中心的像素射出并且经过图像形成装置附近的准直光学系统的节点(前节点)的光以92角入射到导光
板时，满足条件e2〉e^
此外，光学上延伸通过图〗象形成装置的中心和准直光学系统的 前节点的光学基线不平行于光学基线与导光板的入射面交叉处的 导光板的法线。因此，自位于离图像形成装置的中心最远的像素射 出、经过准直光学系统、并入射到导光外反的光净皮导光板以远离图^f象 形成装置的方向而反射。
在根据本发明第二实施例的图像显示设备中，自图像形成装置 的每一个像素射出并且经准直光学系统准直为入射到导光板的定
向光线的光与导光板的入射面的法线成倾斜的角度。
此外，在根据本发明第二实施例的图像显示设备中，优选地， 即使是自图像形成装置的每一个像素射出并经准直光学系统准直 为定向光线的光，也具有在导光板的入射面处在远离图像形成装置 的方向上纟皮反射的 一部分。
为方便起见，根据本发明第一或第二实施例的包括上述优选结 构的图像显示设备(下文通常也简称为"本发明的图像显示设备")
将基于下列表示给出描述延伸经过以第一光学部件的中心定义的 原点并在朝向准直光学系统的方向上取正值的导光板的入射面法 线用Xi轴表示，导光才反的延伸经过原点同时正交于Xi轴并在朝向 第二光学部件的方向上取负值的轴用Yi轴表示，自位于离图像形成 装置的中心最远但靠近第二光学部件的像素射出并且经过准直光 学系统的前节点的光线用"近端像素光线"表示，自位于离图像形 成装置的中心最远并远离第二光学部件的像素射出并且经过准直 光学系统的前节点的光线用"远端像素光线，，表示，而自位于图像 形成装置的中心的 <象素射出并且经过准直光学系统的前节点的光 线用"中心光线"表示。
9在才艮据本发明第 一 实施例的图 <象显示"i殳备中，同样可以i人为
Yj轴或平4于于Yi轴的轴与近端〗象素光线或远端4象素光线之间形成 的角是4兌角，或者也可以i人为Yj轴或平^f亍于Yj轴的轴与远端^f象素 光线或近端4象素光线之间形成的角是钝角。另一方面，在4艮据本发 明第二实施例的图^f象显示i殳备中，同样可以i人为中心光线光学上平 4亍于或光学上不平4亍于XiYi平面^f旦与XiZi平面呈4兌角或4屯角相交。 即，中心光线以与靠近第二光学部件一侧呈一定角度(锐角)或以 与远离第二光学部件的一侧呈一定角度(钝角)入射到导光板上。
根据本发明第 一 实施例的图像显示设备可以以这种方式配置 自位于沿着对应于Yi轴的轴离图Y象形成装置的中心最远的Y象素射
出并且经过准直光学系统的前节点的光线以ei角入射到准直光学系统。
在本发明的图像显示设备中，准直光学系统的光轴可以光学上 延伸通过图像形成装置的中心。在此情况下，准直光学系统的光轴 与光学基线相一致。在某些情况下，图像形成装置的中心可能或可 能不位于准直光学系统的光轴的延长线上。在图像形成装置的中心 不位于准直光学系统的光轴的延长线上的情况下，准直光学系统可 以以这种方式配置其光轴经由其他光学系统延伸通过图像形成装 置的中心。为此，我们这样描述，准直光学系统的光轴"光学上" 延伸通过图像形成装置的中心。这同样适用于说明书中的其他部 分。此外，在本发明的图像显示设备中，准直光学系统的光轴可以 平行于导光板的入射面的法线，法线延伸经过第 一 光学部件的中 心，而准直光学系统的光轴可以光学上延伸通过远离图像形成装置 中心的一点。
有几种图像形成装置适合包括上述优选结构的本发明的图像 显示设备，例如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；以及包括诸如有件和发光二才及管(LED)的发 光元件的图像形成装置。特别地，图像形成装置优选地包括反射型 空间光调制器和光源。示例性的空间光调制器包括诸如使用硅基液 晶(LCOS)技术的透射液晶显示器或反射液晶显示器的光阀，以 及数字微镜器件(DMD)。示例性的光源包括发光元件。此外，反 射型空间光调制器可以包括液晶显示器和偏4展光束分光器，偏4展光 束分光器反射自光源射出的部分光并引导这部分光到液晶显示器， 同时透射经液晶显示器反射的部分光并引导这部分光到准直光学 系统。可包括在光源中的示例性的发光元件包括红色发光元件、绿 色发光元件、蓝色发光元件和白色发光元件。发光元件可以是半导 体激光元件或LED。包括在图像形成装置中的像素的数量可以根据 图像显示设备的相关规格来确定。例如，像素的数量可以是下列的 任一个320x240、 432x240、 640x480、 1024x768和1920x1080。
在本发明的图像显示i殳备中，使经准直光学系统准直为在不同 传#番方向上的多条定向光线的光入射到导光纟反上。该光采取定向光 线的形式，因为当该光入射至导光板上时即使在该光由第 一 和第二
要的。具体地，在不同方向上传^番的多条定向光线可以通过以离对 应于准直光学系统的焦3巨的准直光学系统的3巨离来i殳置图^f象形成 装置而生成。准直光学系统具有将关于自图像形成装置射出的光的 信息从指示图像形成装置中像素位置的信息转换为指示光学装置 的光学系统中定向光线角度的信息的功能。此外，因为准直光学系 统将自图像形成装置射出的光准直为在不同方向上传播的多条定 向光线，以在不同方向上传播的多条定向光线的形式由导光板接收 的光在其内部以全反射方式传播之后从导光板中被输出。第 一光学 部件反射或衍射由导光板接收的定向光线以使定向光线在导光板
播的定向光线并使这些定向光线自导光板射出。
ii在本发明的图像显示设备中，导光板具有两个表面(第一表面
和第二表面)，它们沿着例如导光板的轴(Yi轴)而彼此平行。这 里，当导光4反上有光射出的表面净皮称为出射面时，第一表面可以包 4舌入射面和出射面两者。作为选择，第一表面可以包4舌入射面而第 二表面可以包4舌出射面。
第一光学部件由例如包含合金的金属构成，并且可以被配置为 用于反射由导光板接收的光的反射膜(一种反射镜)，或用于衍射 由导光板接收的光的衍射光栅(例如全息衍射光栅薄膜)。第二光 学部件可以被配置为其中堆叠了多个介电薄膜的多层结构、单向透 视玻璃、偏振光束分光器或全息衍射光栅薄膜。优选地，第一和第 二光学部件整合到导光板中，也就是配置在内部。作为选择，第一 和第二光学部件可以-故固定在导光斥反的第一和/或第二表面。
导光板的示例性材料包括如下包含例如熔凝石英和BK7的光 学玻璃的玻璃；包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯树脂、 丙烯酸树脂、非晶聚丙烯树脂和诸如丙烯腈-苯乙烯(AS)树脂的 聚苯乙烯树脂的塑性材料。导光板的形状不限于平坦形状，还可以 是曲面形状。
只要光学系统通常具有正的光功率，包4舌在本发明的图 <象显示 设备中的准直光学系统可以是任一包括凸透4竟、凹透4竟、自由曲面 棱4竟和全息透4竟的单个或组合的光学系统。
采用本发明的图像显示设备，可以提供例如重量降低和尺寸减 少的HMD。因此，佩戴这种仪器的不便之处可以被大幅度减少。 而且，可以降j氐生产成本。
图像形成装置或具有发光元件和光阀的光源的示例性结构，除 了通常发射白光的背光和具有红色发光像素、绿色发光像素和蓝色 发光像素的液晶显示器的组合之外，包括下列。(图4象形成装置A)
图像形成装置A,是场序(field-sequential)彩色图像形成装置， 包括下列元件
(oc)第一图像形成单元，包括第一发光面板，第一发光面板 具有发射蓝光并且以二维矩阵方式配置的第一发光元件；
(P)第二图像形成单元，包括第二发光面板，第二发光面板 具有发射绿光并且以二维矩阵方式配置的第二发光元件；
(Y)第三图像形成单元，包括第三发光面板，第三发光面板具
有发射红光并且以二维矩阵方式配置的第三发光元件；以及
(s)用于将自第一、第二和第三图像形成单元射出的光汇聚
为沿着单一光路传播的光的装置(例如，二向棱镜，如在下述的其 他图l象形成装置中 一样)，
其中，图像形成装置控制第一、第二和第三发光元件的单独的 发射/非发射状态。
(图4象形成装置B)
图像形成装置B，同样是场序彩色图像形成装置，包括下列元
件
(a)第一图像形成单元，包括第一发光面々反，所述第一发光 面板具有发射蓝光并以二维矩阵方式配置的第一发光元件，以及控 制是否允许自第一发光面板射出的光进行透射的蓝光透射控制器 (光阀)；(|3)第二图像形成单元，包括第二发光面板，所述第二发光 面板具有发射绿光并以二维矩阵方式配置的第二发光元件，以及控 制是否允许自第二发光面板射出的光进行透射的绿光透射控制器 (光阀);
(Y)第三图像形成单元，包括第三发光面板，所述第三发光面 板具有发射红光并以二维矩阵方式配置的第三发光元件，以及控制 是否允许自第三发光面板射出的光进行透射的红光透射控制器(光 阀)；以及
(5)用于将透射通过蓝、绿和红光透射控制器的光汇聚为沿 着单一光路传播的光的装置，其中，图像形成装置通过使用光透射 控制器控制是否允许自单独的第一、第二和第三发光面板射出的光 的透射来显示图^f象。
(图像形成装置C)
图像形成装置C，同样是场序彩色图像形成装置，包括下列部
件
(a)第一图像形成单元，包括具有发射蓝光并且以二维矩阵 方式配置的第 一发光元件的第 一发光面才反；
((3)第二图像形成单元，包括具有发射绿光并且以二维矩阵 方式配置的第二发光元件的第二发光面4反；
(Y)第三图像形成单元，包括具有发射红光并且以二维矩阵方 式配置的第三发光元件的第三发光面4反；
(5)用于将自第一、第二和第三图像形成单元射出的光汇聚 为沿单一光^各传^播的光的装置；以及(S )光透射控制器(光阀)，用于控制是否允许自沿单一光^各 汇聚光的装置射出的光的透射，
其中，图像形成装置通过使用光透射控制器控制是否允许自发 光面板射出的光的透射来显示图像。
(图像形成装置D)
图像形成装置D,同样是一个场序彩色图像形成装置，包括用 于控制是否允许自以二维矩阵方式配置的发光元件单元射出的光 的透射的光透射控制器(光阀)。图像形成装置D通过以分时方式 控制包括在各个发光元件单元中的第一发光元件、第二发光元件和 第三发光元件的单独的发射/不发射状态，并且通过用光透射控制器 控制是否允许自单独的第一、第二和第三发光元件射出的光的透射 来显示图4象。
在根据本发明第一实施例的图像显示设备中，满足条件92 > e!， 并且光学基线在光学基线与导光板的交叉处不平行于导光板的法 线。在根据本发明第二实施例的图像显示设备中，自图像形成装置 的每一 个像素射出并且经准直光学系统准直为入射到导光板的定 向光线的光与导向板入射面的法线成倾斜角。因此，自图像形成装
置射出、透射通过准直光学系统、并且入射到导光才反的光#:导光4反
以远离图像形成装置的方向而反射。因此，在图像形成装置上不会 出现幻象。因此，图像对比度可得以改善并且高质量的图像可以被 显示在图像形成装置上。


图1是实例1的图像显示设备的概念图；图2A和图2B示意性地示出在实例1的图像显示设备中自图 像形成装置射出、透射通过准直光学系统、并入射到导光板的光的
行为；
图3是实例2的图像显示设备的概念图4A和图4B示意性地示出在实例2的图像显示设备中自图 像形成装置射出、透射通过准直光学系统、并入射到导光板的光的 行为；
图5是实例3的图像显示设备的概念图6是实例3的图像显示设备的变形的概念图7是示出了在实例中为使用而适当变形的示例性图像形成装 置的相克念图8是示出了示例性图像形成装置的变形的概念图9是示出了示例性图像形成装置的另一个变形的概念图IO是示出了示例性图像形成装置的另一个变形的概念图11是现有技术的图像显示设备的概念图；以及
图12示意性地示出在现有技术的图像显示设备中自图像形成 装置射出、透射通过准直光学系统、并入射到导光板的光的行为。
具体实施例方式
现在将参考附图基于确定实例来描述本发明的实施例。
16实例1
实例1涉及根据本发明的第一和第二实施例的图像显示设备。
图1是实例1的图像显示设备10的概念图。图像显示设备10包括 下列元件
(A )具有以二维矩阵方式配置的多个像素的图像形成装置11;
(B) 用于准直从图像形成装置11的像素中发射的光的准直光 学系统12;以及
(C) 用于接收由准直光学系统准直为在不同传播方向上的多 条定向光线的光、引导该光通过、并且输出该光的光学装置20。光 学装置20包4舌下列元件
(a) 导光板21，在其内部按全反射方式传播所接收的光(具 体地，在不同传播方向上的多条定向光线)并输出传播的光；
(b) 第一光学部件30，通过导光板21反射(在实例1中)或 衍射接收的光(多条定向光线)以使通过导光板21接收的光(多 条定向光线)在导光板21内被全反射；以及
(c) 第二光学部件40,使在导光板21内按全反射方式传播的 光(多条定向光线)自导光板21射出(具体地，射出同时维持多 条定向光线的形式)。自导光板21射出的光传播并入射到观测者(图 1象^见测者)的瞳孔13 (瞳孔位置)。
在实例1中，或在下述的实例2和3中，第一光学部件30是 一层由金属(具体地，铝)构成的反射膜(一种反射镜)并且被整 合到导光板21中。此外，第二光学部件40具有包括多个介电薄膜 的多层结构并且被整合到导光板21中。介电薄膜由例如TiCb作为
17高电容率材料以及Si02作为低电容率材料的薄膜组成。在日本未审
查专利申请公开(PCT申请的翻译)第2005-521099号中公布了其 中堆叠了多个介电薄膜的示例性多层结构。虽然在图中示出的第二 光学部件40是一个包括六层介电薄膜的部件，但是第二光学部件 40不限于此。在介电薄膜之间配置有由与导光板21相同的材料制 成的薄片。
第一光学部件30可以以下列方式纟寻到作为第一光学部4牛30 底座的导光4反21的部分24纟皮切割成具有在其上i殳置第一光学部件 30的倾斜面的形状。然后，在通过真空沉积在倾斜面上形成一层反 射膜之后，部分24被粘合回导光板21。第二光学部件40可以以下 列方式得到首先，制造其中交替堆叠由与导光板21材料相同的 材料(例如，玻璃)构成的薄片和介电薄膜(例如，通过真空沉积 获得)的多层结构。配置有第二光学部件40的导光4反21的部分25 被切割成具有倾斜面的形状。然后，在多层结构被粘合到倾斜面之 后，通过抛光等调整所得结构的外部形状。因此，可以得到其中整 合了第一光学部件30和第二光学部件40的光学装置20。
在实例1中，或在下述的实例2中，图像形成装置11包括反射 型空间光调制器50和具有发射白光的发光二极管的光源53。更具 体地，反射型空间光调制器50包括液晶显示器(LCD) 51，其 为用作光阀的LCOS装置；以及偏振光束分光器52，反射自光源 53射出的部分光并引导这部分光到液晶显示器51，同时透射经液 晶显示器51反射的部分光并引导这部分光到准直光学系统12。偏 振光束分光器52具有与现有4支术的偏振光束分光器相同的结构。 自光源53射出的光以非偏振光的形式入射到偏振光束分光器52。 偏振光束分光器52透射并将p偏寺展(p-polarized )成分输出到其系 统外部，同时偏4展光束分光器52反射s偏振成分。反射的s偏冲展成 分进入液晶显示器51，在其内部反射，并且被输出到其外部。在从液晶显示器51输出的光之中，从显示"白色"的像素输出的光包 括相对多的p偏振成分，从显示"黑色，，的像素输出的光包括相对 多的s偏振成分。即，在乂人液晶显示器51l命出后入射到偏才展光束分 光器52的光之中，p偏振成分透射通过偏振光束分光器52并净皮引 导向准直光学系统12,而s偏4展成分#:偏冲展光束分光器52反射并 且4皮反馈给光源53。液晶显示器51包括以例如二维矩阵方式配置 的多个像素(沿着Yi轴每行J个像素并且沿着Zi轴每列K个像素 例如，JxK二 320 x 240个像素，液晶单元的数量是像素数量的三 倍)。例如，准直光学系统12是一个凸透镜。图像形成装置ll(更 具体地，液晶显示器51)是定位于距准直光学系统12 —段对应于 准直光学系统12的焦距的距离的位置，使得通过准直光学系统12 生成在不同传播方向上的多条定向光线。单个像素包括发射红光的 红色发光子像素、发射绿光的绿色发光子像素、和发射蓝光的蓝色 发光子像素。
在实例1中，或在下述的实例2和3中，导光板21具有沿着 导光板的轴彼此平行的两个面(第一表面22和第二表面23)。 Xj 轴是延伸经过以第一光学部件30的中心定义的原点(Oi)并且在朝 向准直光学系统12的方向上取正值的导光板21的入射面法线。第 一表面22和第二表面23 4皮此相对;汶置。定向光线形式的光通过用 作入射面的第一表面22进入导光板21，在导光板21的内部以全反 射方式传播，并且通过用作出射面的第二表面23射出。也可以4吏 用另一种结构。例如，将第二表面23用作入射面，而将第一表面 22用4乍出射面。
图2A和图2B均示意性地示出自图像形成装置11射出、透射 通过准直光学系统12、并入射到导光才反21的光的4亍为。在实例1 的图4象显示i殳备10中，参考图2A和图2B，自位于离图^f象形成装 置11的中心最远的像素射出并经过准直光学系统12的前节点的光线以e!角入射到准直光学系统12,而当自位于图〗象形成装置ii的
中心的l象素射出并经过准直光学系统12的前节点的光线(中心光
线cl)以62角入射到导光板21。这里，满足条件e2〉e"在实例i
中，或下述的实例2和3中，定义自位于沿着对应于Yi轴的轴离图 像形成装置11的中心最远的像素射出并经过准直光学系统12的前
节点的光线以e！角入射到准直光学系统12,而自位于图^f象形成装置
11的中心的像素射出并经过准直光学系统12的前节点的中心光线 CL以92角入射到导光板21。可以使用这些0i和92角的其他定义(设 置)。此外，在实例1的图像显示设备IO中，光学上延伸通过图像 形成装置11的中心和准直光学系统12的前节点的光学基线OBL 不平行于在光学基线OBL和导光板21的入射面的交叉处的导光板 21的法线(以两点划线NL示出)。即，在光学基线OBL和法线 NL之间形成预定角度。因此，自位于离图像形成装置11的中心最 远的l象素射出、经过准直光学系统12、并入射到导光^反21的光线 在远离图像形成装置11的方向上被导光板21反射。简言之，以这 种方式设置光学基线OBL和法线NL之间形成的角度使得自位于 离图像形成装置11的中心最远的像素射出、经过准直光学系统12、 并入射到导光板21的光线被导光板21以远离图像形成装置11的 方向而反射。作为参考，图2A示出了e2:e!的情况，而图2B示出
了02 > e,的情况。此外，在实例i的图像显示设备io中，自图像
形成装置11的每一个像素射出并且经准直光学系统12准直为入射 到导光板21的定向光线的光不平行于导光板21的入射面(第一表 面22)的法线。此外，自图4象形成装置11的每一个^f象素射出并经 准直光学系统12准直为定向光线的光具有在导光才反21的入射面 (第一表面22)处在部分定向光线不入射在图^f象形成装置11上的 方向上^皮反射的 一部分。
具体地，在实例1中进行下列设置<formula>formula see original document page 21</formula>在实例1的图像显示设备10中，在近端像素光线Ltpx和Yj轴之间 形成锐角。近端像素光线Ltpx表示这样的光线，该光线自位于离图 像形成装置ll的中心、或者实例1中的液晶显示器51的中心最远 的像素(即，在实例1中，位于对应于Yi轴的轴上的离图像形成装 置11的中心最远的像素)，且靠近第二光学部件40的像素射出， 并且同时经过准直光学系统12的前节点。具体地，上述锐角用[90-
(e2 + e!)]度表示。中心光线cL光学上平行于XjYi平面并与XiZi平
面相交呈02角。即，中心光线CL以从靠近第二光学部件40的一侧 的锐角入射到导光板21。在实例1中，或在下述的实例2和3中， 近端〗象素光线LtPX、中心光线CL和下述的远端^f象素光线LtFH包含 在XjYi面内。然而在另一情况下，近端4象素光线LtPX、中心光学 CL和远端4象素光线LtFH不会包含在XjYi面内。在后面的情况中， Qi和62角可以初。脱为立体角。
在实例1中，或在下述的实例2中，准直光学系统12的光轴 光学上延伸通过图像形成装置11的中心。在实例1中，图像形成 装置11的中心或液晶显示器51的中心位于准直光学系统12的光 轴延长线上。也可以4吏用另一种结构。例如，准直光学系统12的 光轴可以经由其他光学系统光学上延伸通过图^f象形成装置11的中 心、或液晶显示器51的中心，或者沿着准直光学系统12的光轴传 才番的光可以乂人准直光学系统12直4妄或经由其他光学系统入射到导 光板21上。
观测者可以配备作为 一对的两个图像显示设备， 一 个用于右眼 而另一个用于左眼，或者可以在一只眼睛上配备单个图l象显示"i殳 备。在配备两个图像显示设备的情况下，用于右边和左边眼睛的两
21个图^象显示i殳备均可以显示相同的图^f象或者可以显示不同的图傳_ (例如，可以组成为三维图像的图像)。在这种情况下，每个图像
显示设备均用作HMD。
以定向光线形式进入导光4反21并且入射到第一光学部件30的 光4皮第一光线部件30反射并且在导光^反21内部4姿全反射方式传 播。导光板21中的定向光的传播状态随着图像形成装置11上的发 光位置的变化而变化。例如，如图2A和图2B所示，导光才反21上 近端^f象素光线LtPX的入射角(ePX )大于导光4反21上远端^f象素光线 LtFH的入射角(eFH)。远端像素光线LtFH表示这样的光线，该光线 自位于离图〗象形成装置11的中心、或者实例1中的液晶显示器51 的中心最远(即，在实例1中，位于对应于离图像形成装置11的 中心最远的Yj轴的轴上的像素)，且远离第二光学部件40的像素射 出，并且同时经过准直光学系统12的前节点。因此，在导光才反21 中发生的近端像素光线Ltpx的全反射角小于在导光板21中发生的 远端像素光线LtFH的全反射角。在导光板21中发生的中心光线CL 的全反射角介于前述两^直之间。
第二光学部件40具有其中堆叠了多个介电薄膜的多层结构。 在导光板21内部传播并入射到介电薄膜的光是透射通过介电薄膜 还是被介电薄膜反射并输出到导光板21外部是由光入射到介电薄 膜的角度决定的。因此，自第二光学部件40射出的光到达^见测者 的瞳孔13,从而该光能够作为图像被识出。此外，使用这种结构， 可以减少导光纟反21的厚度。
在实例i的图像显示设备io中，满足条件e2〉e!，并且光学基
线OBL不平行于导光板21从光学基线OBL和导光板21的交叉处 延的法线。具体地，在光学基线OBL和法线之间形成e2角。此外， 自图4象形成装置11的每一个l象素射出并经准直光学系统12准直为 入射到导光板21的定向光线的光不平4于于导光4反入射面(第一表面22)的法线。这意味着即使是自图像形成装置11射出、经准直 光学系统12准直、并入射到导光4反21的每一条定向光线(例如， 远端〗象素光线LtFH ),也在导光^反21的入射面(第一表面22 )以远 离图像形成装置11的方向被反射。因此，在图像形成装置ll上没 有形成幻象。因此，可以4是高图傳_对比度，并且可以在图^f象形成装 置11上显示高质量图像。
实例2
实例2是实例1的变形。图3是实例2的图像显示设备110的 概念图。图4a和图4b均示意性地示出了自图像形成装置11射出、 透射通过准直光学系统12、并入射到导光板21的光的行为。实例 2的图像显示设备110同样满足条件92>01。作为参考，图4a示出
e2 = e！的情况，图4b示出92 > e！的情况。i殳置实例2中的e!和02
角为与实例i中相同的值。然而，在实例2的图像显示设备110中， 远端像素光线LtFH和Yi轴成钝角相交。具体地，此钝角用[90 + (02
-eo]度表示。中心光线cl光学上平4亍于XjYi平面而与XiZi平面
成62角相交。即，中心光线cl从远离第二光学部件40的一侧以4屯 角入射到导光板21。
除了上述图像形成装置的配置，实例2的图像显示设备110可 以以与实例i的图像显示装置IO相同的方式配置。因此，将省略 图4象形成装置110的详细描述。
同样在实例2的图像显示设备iio中，满足条件62 > el5并且
光学基线obl不平行于从光学基线obl和导光板21的交叉处延 伸的导光板21的法线。具体地，在光学基线obl和法线之间形成 92角。此外，自图^象形成装置11的每一个^f象素射出并经准直光学 系统12准直为入射到导光4反21的定向光线的光不平4亍于导光纟反入 射面(第一表面22)的法线。这意味着即使是自图像形成装置11射出、经准直光学系统12准直、并入射到导光板21的每一条定向 光线(例如，近端〗象素光线Ltpx),也在导光^反21的入射面(第一 表面22)远离图像形成装置11的方向上被反射。因此，在图像形 成装置11上没有形成幻象。因此，可以提高图像对比度，并且高 质量图<象可以在图<象形成装置11上显示。
实例3
实例3是实例1或实例2的变形。图5和图6是实例3的图像 显示设备210的概念图，分别示出实例1和实例2的变形。在如图 5和图6中所示的图像显示设备210中，准直光学系统212的光轴 平行于Xi轴。准直光学系统212的光轴光学上延伸经过远离图像形 成装置211的中心、或液晶显示器251的中心的一点。用这种结构， 中心光线CL被配置为光学上平行于XjYi平面而与XiZj平面成锐角
或钝角相交。具体地，实例3中的e!和e2角^皮设置为与实例1或2
中的值相同的值。实例3的液晶显示器251是透射型的液晶显示器。
除了上述配置，实例3的图像显示设备210可以以与实例1或 2的图像显示装置相同的方式配置。因此，将省略图像形成装置210 的详细描述。
尽管已经在优选实例的基础上描述了本发明，但本发明不限于 此。上述图像显示设备的结构仅是示例性的，因而还可以作出适当 的修改。
图7是经修改从而适用于前述实例的另一示例性图像形成装置 的概念图。此图像形成装置包括发光面板，所述发光面板具有以二 维矩阵方式配置的作为半导体发光元件的发光元件301。图^象形成 装置用作有源矩阵图像形成装置，通过控制发光元件301的个体发 射/非发射状态并偵J见测者直4妄7见测发光元件301的发射状态来显示图像。从这个图像形成装置射出的光透射通过准直光学系统12 或212并入射到导光4反21上。
图8是另 一示例性修改的彩色图像形成装置的概念图，包括下 列元件
(a )具有发射红光并以二维矩阵方式配置的红色发光元件 301R的红色发光面^反311R;
(P )具有发射绿光并以二维矩阵方式配置的绿光发光元件 301G的绿光发光面板311G;
(Y)具有发射蓝光并以二维矩阵方式配置的蓝色发光元件 301B的蓝色发光面4反311B;以及
(5 )用于将自红色发光面板311R、绿光发光面板311G和蓝 色发光面板311B射出的光汇聚为沿单一光路传播的光的装置，
其中，彩色图像形成装置控制红色发光元件301R、绿光发光元件 301G和蓝色发光元件301B的单独的发射/非发射状态。从该图像 形成装置射出的光同样透射通过准直光学系统12或212并入射到 导光板21 。图像形成装置同样包括用于汇聚自发光元件射出的光的 显微透镜312。
图9是包4舌了分别具有以二维矩阵方式配置的发光元件301R、 301G和301B的发光面^反311R、 311G和311B等的另 一图像形成 装置的概念图。自发光面板311R、 311G和311B射出的光通过光 透射控制器304R、 304G和304B控制，光/人所述光透射控制器透 射通过或4皮阻断。透射通过光透射控制器304R、 304G和304B的光进入二向棱4竟303，汇聚为沿单一光^各传4番的光，透射通过准直 光学系统12或212，并入射到导光^反21。
图10是包括了分别具有以二维矩阵方式配置的发光元件 301R、 301G和301B的发光面板311R、 311G和311B等的另 一图 像形成装置的概念图。自发光面板311R、 311G和311B射出的光 进入二向棱镜303并且汇聚为沿单 一 光路传播的光。从二向棱镜303 输出的汇聚光被光透射控制器304控制，光从所述光透射控制器透 射通过或一皮阻断。透射通过光透射控制器304的光进一步透射通过 准直光学系统12或212,并入射到导光^反21。
本领域技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素，可以进 行各种修改、组合、子组合和变化，只要它们处于所附权利要求或 其等《介物的范围以内。
权利要求
1. 一种图像显示设备，包括(A)图像形成装置，具有以二维矩阵方式配置的多个像素；(B)准直光学系统，用于准直从所述图像形成装置的像素中发射的光；以及(C)光学装置，用于接收经所述准直光学系统准直为在不同传输方向上的多条定向光线的光，引导所述光通过，并输出所述光，其中，所述光学装置包括(a)导光板，在其内部按全反射方式传播所接收的光并输出所传播的光；(b)第一光学部件，用于反射或衍射通过所述导光板接收的光以使通过所述导光板接收的光在所述导光板的内部被全反射；以及(c)第二光学部件，使在所述导光板内按全反射方式传播的光自所述导光板射出，并且其中，当自位于离所述图像形成装置的中心最远的像素射出并且经过靠近所述图像形成装置的准直光学系统的节点的光以θ1角入射到所述准直光学系统时，并且当自位于所述图像形成装置的中心的像素射出并且经过所述图像形成装置附近的准直光学系统的节点的光以θ2角入射到所述导光板时，满足条件θ2>θ1。
2. 根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述准直光学系 统的光轴光学上延伸通过所述图^f象形成装置的中心。
3. 根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述准直光学系统的光轴平行于所述导光板的入 射面的法线，所述法线延伸通过所述第一光学部件的中心，并 且其中，所述准直光学系统的光轴光学上延伸通过远离所 述图像形成装置的中心的点。
4. 根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述图像形成装 置包括反射型空间光调制器和光源。
5. 根据权利要求4所述的图像显示设备，其中，所述反射型空间 光调制器包括液晶显示器和偏振光束分光器，所述偏振光束分液晶显示器，同时透射经所述液晶显示器反射的部分光并引导 这部分光到所述准直光学系统。
6. —种图像显示设备，包括(A) 图像形成装置，具有以二维矩阵方式配置的多个像素；(B) 准直光学系统，用于准直从所述图《象形成装置的像 素中发射的光；和(C) 光学装置，用于接收经所述准直光学系统准直为在 不同传输方向上的多条定向光线的光，引导所述光通过，并输 出所述光，其中，所述光学装置包括(a) 导光板，在其内部按全反射方式传播所接收的 光并输出所传4番的光；(b) 第一光学部件，用于反射或衍射通过所述导光的内部4皮全反射；以及(c) 第二光学部件，使在所述导光板内按全反射方 式传播的光自所述导光板射出，并且其中，自所述图像形成装置的每个像素射出并经所述准 直光学系统准直为入射到所述导光板的定向光线的光与所述 导向板的入射面的法线成倾斜角。
7. 根据权利要求6所述的图像显示设备，其中，即使是自所述图 像形成装置的每个像素射出并经所述准直光学系统准直为定 向光线的光，也具有在所述导光板的入射面处在远离所述图像 形成装置的方向上^皮反射的 一部分。
8. 根据权利要求6所述的图像显示设备，其中，所述准直光学系 统的光轴光学上延伸通过所述图^f象形成装置的中心。
9. 根据权利要求6所述的图像显示设备，其中，所述准直光学系统的光轴平4亍于所述导光才反的入 射面的法线，所述法线延伸通过所述第一光学部件的中心，并 且其中，所述准直光学系统的光轴光学上延伸通过远离所 述图像形成装置的中心的点。
10. 根据权利要求6所述的图像显示设备，其中，所述图像形成装 置包括反射型空间光调制器和光源。
11.根据权利要求10所述的图像显示设备，其中，所述反射型空间光调制器包括液晶显示器和偏振光束分光器，所述偏振光束液晶显示器，同时透射经所述液晶显示器反射的部分光并引导 这部分光到所述准直光学系统。
全文摘要
本发明公开了一种图像显示设备，包括图像形成装置，具有多个像素；准直光学系统，用于准直来自图像形成装置的光；以及光学装置，用于接收、引导并输出准直光作为在不同方向上的定向光线。该光学装置包括导光板；第一光学部件，反射或衍射光从而在导光板内部全反射该光；以及第二光学部件，使传播的光自导光板射出。当自位于离图像形成装置的中心最远的像素射出的光线和自位于图像形成装置的中心的像素射出的光线经过准直光学系统的节点并且分别以θ₁角和θ₂角入射到准直光学系统和导光板时，满足θ₂＞θ₁。
文档编号G02B27/02GK101446684SQ20081018025
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月29日
发明者武川洋 申请人:索尼株式会社