专利名称：图像显示装置和光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学装置和其中整合有所述光学装置的图像显示装置。
背景技术：
作为图像显示装置的虚拟图像显示装置已经为人所熟知，在该图像显示装置中， 虚拟图像光学系统允许观察者看到由图像形成装置形成的二维图像的放大的虚拟图像，例 如，见 JP-T-2005-521099 和日本特开 2006-162767。如图25中概念性地示出的，上述的图像显示装置900包括图像形成装置911，其 包括以二维矩阵形式设置的多个像素；校准光学系统912，用于将从图像形成装置911的像 素射出的光转换成为平行光；和光导部930，用于接收、传导和射出来自校准光学系统912 的平行光。光导部930包括光导板931，用于通过全反射在其内部传播入射光，并且然后 从其中射出所传播的光；第一偏转部940，其例如由单层光反射膜形成用于反射入射到光 导板931的光，从而入射到光导板931的光在光导板931的内部被完全地反射；和第二偏转 部950，其例如由具有多层的层叠结构的光反射多层膜形成，用于以全反射的方式将在光导 板931的内部传播的光从光导板931射出。如果，例如头戴型显示(HMD)单元由上述的这 样的图像显示装置900形成，则能够实现装置的轻量化和小型化。替代地，已知作为图像显示装置的虚拟图像显示装置，在该虚拟图像显示装置中， 允许观察者观察到由虚拟图像光学系统生成的由图像形成装置形成的二维图像的放大的 虚拟图像，例如，见日本特开2007-094175和日本特开2007-012530。如图26和图27中概念性地示出的，作为图像显示装置1000的基础组件，上述的 图像显示装置1000包括图像形成装置1011，用于显示图像；校准光学系统1012 ；和虚假 图像光学系统或光导部1030，其接收图像形成装置1011的光并且将所输入的光传导到观 察者的瞳孔41。光导部1030包括光导板1031 ；和设置于光导板1031并且分别由反射型 体积全息照相衍射光栅形成的第一衍射光栅构件1040和第二衍射光栅构件1050。从图像 形成装置1011的像素射出的光被输入到校准光学系统1012，并且由校准光学系统1012产 生平行光，然后所产生的平行光被入射到光导板1031。所述平行光进入并经过光导板1031 的第一面1032。同时，第一衍射光栅构件1040和第二衍射光栅构件1050被安装于光导板 1031的沿平行于光导板1031的第一面1032的方向延伸的第二面1033。
发明内容
在图26示出的XY平面图中，显示从图像形成装置1011射出的光的图像被转换成 为平行光束组，其中从图像形成装置1011的像素射出的光的视角即出射角与校准光学系 统1012彼此不同。平行光束组与XY平面正交，并且被入射到光导板1031。应注意到，在 图26中，XY平面中的代表性的平行光束示表示为由实线表示的平行光束巧；由交替的长 短点划线表示的巧；和由虚线表示的r3。另外，在图27中，XZ平面中代表性的平行光束表 示为由实线表示的平行光束R1 ；由交替的长短点划线表示的R2 ；和由虚线表示的R3。
在图26和图27示出的图像显示装置1000中，左右方向即水平方向和上下方向即 垂直方向分别被定义为Y方向和Z方向。具体地，显示用于显示图像的光、显示多种信息等 的图像被从横向方向传导向观察者的瞳孔41并且进入瞳孔41。注意到，其中图像显示装置 1000被应用于头戴型显示(HMD)单元，图像形成装置等不是被设置于瞳孔41的上方，而是 设置于相对于瞳孔41的横向方向，从而能够良好地观察到外部世界。在另一方面，利用上述的这样的构造，由于在光导板1031的内部传导的光的传播 距离相对地较大，出现下面的问题。这里，在上述的构造中，显示从光导板1031的第一面1032输出的光的图像被输 入到由反射型体积全息照相衍射光栅形成的第一衍射光栅构件1040，其中衍射光栅构件 1040设置于与第一面1032相对的第二面1033。注意到，反射型体积全息照相衍射光栅具 有如下构造该构造具有均一的干涉光栅间距，而且与位置无关。关于XY平面上的X方向分量，由光导板1031中的第一衍射光栅构件1040反射的 衍射光的光束!^巧和！^被传导作为平行光，同时在第一面1032和第二面1033之间重复地 完全地反射，并且沿Y方向向第二衍射光栅构件1050行进，所述第二衍射光栅构件1050由 反射型体积全息照相衍射光栅形成并设置于光导板1031的另一端。这里，如上所述，由于 光导板1031较薄并且光在光导板1031中先进的路径相对较长，根据如图26所示的水平视 角，全反射到第二衍射光栅构件1050的次数不同。因此，以相对于第二衍射光栅构件1050 倾斜(即，其水平视角为正)的状态从输入到光导板1031的平行光ri、r2和r3中输入的平 行光r3的反射的次数小于平行光的反射的次数，其中平行光以与平行光r3的方向相 反的方向的视角(S卩，其水平视角为负)输入到光导板1031。特别地，由于第一衍射光栅 构件1040上的全息面上的干涉光栅间距均一，关于第一衍射光栅构件1040中的衍射反射 的出射角，其中水平视角为正的平行光r3的出射角大于其中水平视角为负的平行光Γι的出 射角。因此，具有输入到第二衍射光栅构件1050的视角的平行光从全反射状态经历衍射反 射，从光导板1031射出，然后输入到观察者的瞳孔41。以这种方式，沿平行光束的行进方向，在光导板1031中的反射次数根据水平视角 而不同。换句话说，光程长度不同。但是，由于所有传播的光束是平行光束，因此，光束组 以被折回的方式(a manner as to be folded)行进。如所清楚明了的，如果在日本特开 2007-12530的图14中示出的构造中进行反向光线追踪(inverse ray tracing)，则存在这 样的光束，其从所述光束组中被返回并且在延伸过第一衍射光栅构件1040和第二面1033 的位置处被反射。如果进行反向光线追踪，则一部分光束(即，在第二面1033上被反射的 部分)被重复地反射以在第一衍射光栅构件1040的不同位置处衍射以到达校准光学系统 1012。在另一方面，剩余光束在第一衍射光栅构件1040的端部被衍射以到达校准光学系统 1012。特别地，虽然光束是从同一像素射出的平行光并具有相同的视角，存在这样的光束， 其在光导板1031中的被复用的第一衍射光栅构件1040的不同部分处被衍射反射以进行传 播。以这种方式，在上述的这样的光学系统中，必须的光束的Y方向的宽度，即Y方向 的孔径闭合宽度(aperture stop width)由光束被会聚的端点所确定。在光导板1031上， 第一衍射光栅构件1040的在其上从校准光学系统1012射出并输入到光导板1031的平行 光束组被衍射反射的位置被确定为Y方向的孔径闭合位置。
在另一方面，关于在XZ平面上的水平视角彼此不同的入射光RpR2和R3,虽然X方 向的分量在光导板1031中被重复地反射，Z方向分量以不被反射的方式到达出口部。特别 地，从校准光学系统1012射出的光被会聚并且被从XZ平面上的第一面1032输入，并且然 后沿Y方向在光导板1031中行进。然后，光束以在光导板1031中的第一面1032和第二面 1033上被反射的状态行进，以在Z方向上扩展直到它们到达第二衍射光栅构件1050。然后， 光束被衍射光栅构件1050反射和衍射，并且然后从衍射光栅构件1050射出，从而使光束入 射到观察者的瞳孔。以此，在图像显示装置1000中，光束沿Z方向的必须的宽度，即沿Z方 向的孔径闭合宽度根据观察者的瞳孔41的位置来确定。由于Z方向的孔径闭合位置是观察者的瞳孔41的位置，从校准光学系统1012至Z 方向的孔径闭合位置的距离等于光在光导板1031的内部被重复地全反射和传播过的距离 与从光导板1031至观察者的瞳孔41的距离的和。因此，该距离非常长。在另一方面，由于 Y方向的孔径闭合位置是第一衍射光栅构件1040设置于光导板1031的位置，所以距离Y方 向的孔径闭合位置的距离能够被制作的比Z方向的孔径闭合位置小。以此，由于在Z方向 上距离孔径闭合位置的距离较大，则校准光学系统1012沿Z方向的直径必须设置成比沿Y 方向的直径大。另外，在图像形成装置911和1011中的沿Z方向的孔径闭合位置的直径设置的 较大时，则在从图像形成装置911和1011射出的图像中，外视角(peripheral angle of view)的光线角(light ray angle)变得较大。结果，图像形成装置911和1011中使用的 液晶显示装置等的显示对比度减小，并且造成图片品质劣化。因此，期望提供这样的图像显示装置，其允许观察者观察到通过虚拟图像光学系 统产生的由图像形成装置形成的二维图像的放大的虚拟图像，并且其中不需要在图像形成 装置中使用大直径的透镜和不需要用于整合在图像显示装置中的光学装置。根据本发明的第一模式，提供了图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；(B)第一光导部，用于接收、传导和射出从图像生成装置射出的光；和(C)第二光导部，用于接收和传导从第一光导部射出的光，并且然后将所述光朝向 观察者的瞳孔射出；所述第一光导部包括(B-I)第一光导板，用于在其内部以全反射的方式传播一部分入射光并且从其中 射出所述光，和(B-2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置于第一光导板，所述第二光导部包括(C-I)第二光导板，其构造成在内部以全反射的方式传播入射光，并且然后射出所 述光，(C-2)第一偏转部，其设置在第二光导板中并用于偏转入射到第二光导板的光，从 而使得入射到第二光导板的光被全反射到第二光导板的内部中，和(C-3)第二偏转部，其设置在第二光导板中并用于偏转以全反射的方式多次偏转 在第二光导板的内部传播的光，以从第二光导板以全反射的方式射出在第二光导板的内部 传播的光。
注意到，这里使用了术语“全反射”，在下文中是指内部的全反射或者指在第一光 导板的内部或在第二的内部的全反射。根据本发明的第一模式，提供了光学装置，其包括第一光导部，其被构造成用以接收、传导和射出光束；和第二光导部，其被构造成用于接收和传导从第一光导部射出的光束并且然后射出 所述光，第一光导部包括
(a-Ι)第一光导板，用于以全反射的方式在其内部传播一部分入射光并且从其中 射出所述光，和(a-2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置于第一光导板，第二光导部包括(b-Ι)第二光导板，其构造成在其内部以全反射的方式传播入射光并且然后射出 所述光，(b-2)第一偏转部，其设置于第二光导板用于偏转入射到第二光导板的光，从而使 入射到第二光导板的光在第二光导板的内部被完全地反射，和(b-3)第二偏转部，其设置于第二光导板用于以全反射的方式多次偏转在第二光 导板的内部传播的光，以通过全反射的方式将在第二光导板的内部传播的光从第二光导板 射出。根据本发明的第二模式，提供了图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；和(B)光导部，用于接收和传导从图像生成装置输出的光并且然后将所述光射向观 察者的瞳孔，光导部包括(B-I)光导板，用于以全反射的方式在其内部传播入射光并且从其内部射出所述 光，(B-2)第一偏转部，其设置于光导板并且用于偏转入射到光导板的光，从而入射到 光导板的光在光导板的内部被完全地反射，和(B-3)第二偏转部，其设置于光导板并且用于以全反射的方式多次偏转在光导板 的内部传播的光，以通过全反射将在光导板的内部传播的光从光导板射出，该图像显示装置还包括光束扩展部，其中所述光进入光导板的方向和所述光在光导板中的传播方向分别 被定义为X方向和Y方向，光束扩展部扩展从图像生成装置沿Z方向射出的光并将所扩展 的光射出到光导部。根据本发明的第二模式，提供了光学装置，其包括光导部，其被构造成用于接收、传导和射出光束，光导部包括第一光导板，用于以全反射的方式在其内部传播所述入射光并且从其内部射出所 述光，第一偏转部，其设置于光导板并且用于偏转入射到光导板的光，从而入射到光导板的光在光导板的内部被完全地反射，和第二偏转部，其设置于光导板并且用于以全反射的方式多次偏转在光导板的内部 传播的光，以通过全反射将在光导板的内部传播的光从光导板射出。该光学装置还包括 光束扩展部，其中所述光进入光导板的方向和所述光在光导板中的传播方向分别 被定义为X方向和Y方向，光束扩展部扩展从图像生成装置沿Z方向射出的光并将所扩展 的光射出到光导部。根据本发明的另一个模式，提供图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；(B)第一光导部，用于接收、传导和射出从图像生成装置射出的光；和(C)第二光导部，用于接收和传导从第一光导部射出的光，并且然后将所述光朝向 观察者的瞳孔射出。第一光导部包括(B-I)第一光导板，用于以全反射的方式在其内部传播一部分入射光，并且从其中 射出所述光，和(B-2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置于第一光导板，第二光导部包括(C-I)第二光导板，其构造成在其内部以全反射的方式传播入射光并且然后射出 所述光，(C-2)第一偏转部，其设置于第二光导板并且用于偏转入射到第二光导板，和(C-3)第二偏转部，其设置于第二光导板并且用于以全反射的方式偏转在第二光 导板的内部传播的光。根据本发明的另一个模式，提供了图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；和(B)光导部，其用于接收和传导从图像生成装置输出的光，并且然后将所述光射向 观察者的瞳孔，光导部包括(B-I)光导板，用于以全反射的方式在其内部传播入射光并且从其中射出所述光，(B-2)第一偏转部，共设置于光导板并且用于偏转入射到光导板的光，和(B-3)第二偏转部，其设置于光导板并且用于通过全反射的方式多次传播在光导 板的内部传播的所述光。图像显示装置还包括光束扩展部，其中所述光进入光导板的进入方向和所述光在光导板中的传播方向 分别被定义为第一方向和第二方向，光束扩展部沿不同于第一方向和第二方向的第三方向 扩展从图像生成装置射出的光并且将所扩展的光射向光导部。应注意到，在根据本发明的第一模式的图像显示装置和光学装置中的“第二光导 部”与根据本发明的第二模式的图像显示装置和光学装置中的“光导部”彼此大致相同。因 此，在下面给出的说明中，为说明的方便起见，在根据本发明的第二模式的图像显示装置和 光学装置中的“光导部”被称为“第二光导部”。类似地，在根据本发明的第一模式的图像显示装置和光学装置中的“第二光导板”与根据本发明的第二模式的图像显示装置和光学装 置中的“光导板”大致地彼此相同。因此，在下面给出的说明中，为说明的方便起见，在根据 本发明的第二模式的图像显示装置和光学装置中的“光导板”被称为“第二光导板”。在根据本发明的第一模式的图像显示装置和光学装置中，第一光导部设置于图像 生成装置和第二光导部之间并且由第一光导板和反射型体积全息照相衍射光栅构造成。因 此，第一光导部用作一种光束扩展器，即，用作一种光束扩展部件，并且从所述图像生成装 置中射出的并且被射入第一光导部的光束的形状被沿光传播方向在第一光导板的内部通 过反射型体积全息照相衍射光栅以内部全反射的方式扩展。然后，具有被扩展的形式的光 束被射入到第二光导部。另一方面，根据本发明的第二模式的图像显示装置和光学装置包 括光束扩展部，该光束扩展部用以扩展沿Z方向的光或光束并且将扩展后的光或光束射入 光导部。因此，不需要将图像生成装置的Z方向的孔径闭合直径装置成较大的直径。由此， 能够期望使图像显示装置小型化和轻量化，并且防止了显示对比度的降低和图片品质劣 化。另外，虽然第一光导部由反射型体积全息照相衍射光栅形成，但由于形成于反射型体积 全息照相衍射光栅上的干涉条纹在其总体上具有均一的角度并且表示出均一的折光率调 制，不需要比较困难的对准，并且也不太易于发生色散。根据下面结合附图的说明和权利要求，本发明的上述和其他的目标、特性和优点 将变得清楚明了，在附图中，相同的部件或元件标注为相同的附图标记。
图1是概念性地示出实施方式1的图像显示装置的示意图；图2是类似的视力产，但是概念性地示出了实施方式2的图像显示装置；图3A是概念性地示出实施方式3的图像显示装置的视图，并且图3B是示出图3A 的图像显示装置的反射型体积全息照相衍射光栅的放大的示意性截面图；图4是概念性地示出实施方式4的图像显示装置的示意图；图5A是示意性地示出图像生成装置、第一光导部和第二光导部的设置状态的视 图，并且图5B是以截面图的形式概念性地示出第一光导部的示意图；图6是实施方式5的从正面观察的头戴型显示单元的示意图；图7是图6中的从正面观察的去掉了框架的头戴型显示单元的示意图；图8是图6中的从上面观察的头戴型显示单元的示意图；图9是图6中的从上面观察的安装于观察者的头部的头戴型显示单元的示意图， 仅示出了图像显示装置，其中省略了框架；图10是实施方式6的从正面观察的头戴型显示单元的示意图。图11是图10中的从正面观察的头戴型显示单元的示意图，其中省略了框架；图12是图10中的从上面观察的头戴型显示单元的示意图；图13A和图13B是示意性地示出了实施方式7和实施方式8中的图像生成装置、 光束扩展部和光导部的设置状态的视图；图14是概念性地示出实施方式7的图像显示装置的示意图；图15是概念性地示出图14中的图像显示装置的修改例的示意图；图16是概念性地示出实施方式8的图像显示装置的示意图17、图18和图19是类似的视图，但是示出了图16中的图像显示装置的不同修 改例；图20是适用于图1或图3A中的图像显示装置的图像形成装置的修改例的视图；图21、图22、图23和图24是类似的视图，但示出了适合于图20的图像显示装置 的若干修改例；图25是概念性地示出传统的图像显示装置的示意图；
图26是概念性地示出另一传统图像显示装置的示意图；和图27是图25中的从与图26中的方向不同的方向观察的传统图像显示装置的视 图；图28A和28B是示出图像生成装置的设置状态的示意图，分别从Y方向和Z方向 看示出实施方式9的光束扩展部和光导部；图29A和29B是实施方式9中的光束扩展部的局部截面示意图，并且29C是示出 被实施方式9中的光束扩展部反射的光的状态的示意图；以及图30A和30B是示出图像生成装置的设置状态的示意图，分别从Y方向和Z方向 看示出实施方式7中的光束引导部和光导部。
具体实施例方式在下文中，结合本发明的若干实施方式并参考附图详细说明了本发明。但是，应注 意到，本发明并不局限于这些实施方式，并且应用于这些实施方式的不同的数值和材料仅 出于说明的目的。应注意，以如下的顺序给出本说明。1.对于本发明的图像显示装置、光学装置和头戴型显示单元的概述2.实施方式1(根据本发明的第一模式的图像显示装置和光学装置)3.实施方式2 (对实施方式1的修改例)4.实施方式3 (对实施方式1的不同修改例)5.实施方式4 (对实施方式3的修改例)6.实施方式5 (头戴型显示单元)7.实施方式6 (对头戴型显示单元的修改例)8.实施方式7(根据本发明的第二模式的图像显示装置和光学装置)9.实施方式8 (对实施方式7的修改例)10.实施方式9 (对实施方式7的修改)及其它对于本发明的图像显示装置、光学装置和头戴型显示单元的概述根据本发明的第一模式或第二模式的图像显示装置可以构造成使得图像显示装 置包括(A-I)图像形成装置，其具有形成二维矩形的阵列的多个像素；和(A-2)校准光学系统，其用于将从图像形成装置的像素射出的光转换成为平行光， 禾口通过由所述校准光学系统的转换所获得的平行光的光束被入射到第一光导部或 光束扩展部。应注意到，具有刚才所描述的这样的构造的图像显示装置在下文中被称为“第一种形式的图像生成装置”。替代地，根据本发明的第一模式或第二模式的图像显示装置可以构造成使得图像 显示装置包括(A-I)光源；(A-2)校准光学系统，其用于将从光源射出的光转换成为平行光；(A-3)扫描部，其用于扫描从校准光学系统射出的平行光；和(A-4)中继光学系统，其用于中继由所述扫描部扫描的平行光，和 通过由所述中继光学系统的转换所获得的所述平行光的光束被入射到所述第一 光导部或光束扩展部。应注意到，具有如刚才所述的这样的构造的图像显示装置在下文中 被称为“第二种形式的图像显示装置”。根据本发明的第一模式的包括第一模式的图像生成装置并且包括第二形式的图 像生成装置的图像显示装置(这样的图像显示装置在下文中可以统称为“根据第一模式的 图像显示装置”)可以如下构造成其中，光在第二光导板的内部以全反射的方式进行传播 的方向表示为Y方向，并且第二漏极的厚度方向表示为X方向，光在第一光导板的内部以全 反射的方式进行传播的方向为Z方向，并且第一光导板的厚度方向为X方向，并且从第一光 导板射出的光的沿Z方向的光束直径大于入射到第一光导板的光的沿Z方向的光束直径。 应注意到，其中，比如反射镜(mirror)的光学反射元件被设置于第一光导板和第二光导板 之间从而使得从第一光导板射出的光被沿不同方向射入到第二光导板，第一光导板的X方 向、Y方向和Z方向与第二光导板的X方向、Y方向和Z方向的关系应基于光的动作来确定， 这里假设比如反射镜的光反射元件被移除。这也类似地适用于正面给出的说明。另外，在 根据本发明的第二模式的包括第一形式的图像生成装置并且包括第二形式的图像生成装 置的图像显示装置(这样的图像显示装置在下文中可以统称为“根据第二模式的图像显示 装置”)中从整个光束扩展部射出的光的沿Z方向的光束直径大于入射到光束扩展部的光 的沿Z方向的光束直径。根据本发明的第一模式的包括上述的优选形式的图像显示装置等可以如下构造 成使得反射型体积全息照相衍射光栅被设置于第一光导板的与第二光导板相对而言的 面；并且一部分入射到第一光导板的光被反射型体积全息照相衍射光栅衍射、在第一光导 板的内部被一次完全地反射、在反射型体积全息照相衍射光栅的表面上被一次完全地反 射、并且然后从第一光导板射出，而剩余部分的入射到第一光导板的光在通过第一光导板 和反射型体积全息照相衍射光栅之后从第一光导板射出。应注意到，为说明的方便起见，上 述的光在第一光导板中的特性在下文中称作“光通过两次全反射从第一光导部射出”。形 成于反射型体积全息照相衍射光栅的干涉条纹应进行优化，从而使得可以满足布拉格条件 (Bragg condition)，即一部分入射到第一光导板的光被反射型体积全息照相衍射光栅衍 射、在第一光导板的内部被一次完全地反射、在反射型体积全息照相衍射光栅的表面上被 一次完全地反射、由反射型体积全息照相衍射光栅衍射并且然后从第一光导板射出。但是，反射型体积全息照相衍射光栅的构造并不局限于上述的构造。换句话说， 反射型体积全息照相衍射光栅的构造并不局限于这样的构造其中，全部入射到第一光导 板的光以所述光通过两次全反射从第一光导部射出的方式从第一光导部射出。特别地，反 射型体积全息照相衍射光栅可以另外地如下构造使得所述光在第一光导板的内部被全反射、在反射型体积全息照相衍射光栅的表面被全反射、再次在第一光导板的内部被全反射、再次在反射型体积全息照相衍射光栅的表面被全反射、由反射型体积全息照相衍射光栅衍 射、并且然后从第一光导板射出。换句话说，反射型体积全息照相衍射光栅可以如下构造 使得一部分入射到第一光导板的光的部分通过“光通过两次全反射从第一光导部射出”而 射出，而剩余部分的入射到第一光导板的光的部分通过“光通过四次全反射从第一光导部 射出”而射出。另外，反射型体积全息照相衍射光栅可以另外地构造成使得光通过更多次的 全反射从第一光导部射出。在全部的射入第一光导板的一部分光通过“光通过两次全反射从第一光导部射 出”的方式射出的情况中，从实现光的从整个第一光导部射出光强分布均一的角度来看，优 选地，该部分的光的光量与光的在第一光导板中的剩余部分的光量彼此相等。这个目的，优 选地τ(ι-η) = (τ · η)2其中Il是包括有第一光导部的反射型体积全息照相衍射光栅的反射系数，T是反 射型体积全息照相衍射光栅的光透射系数(light transmissionfactor) 0特别地，当T = 1时，优选地满足η = 0. 62为实现这一目的，应进行优化选择用于形成反射型体积全息照相衍射光栅的材 料，优化反射型体积全息照相衍射光栅的厚度，并且优化反射型体积全息照相衍射光栅的 折身寸率调制度(refractive index modulationdegree) Δη。另外，根据本发明的第一模式的包括上述的优选的形式和构造的图像显示装置等 可以如下构造使得第一光导部具有其中第一光导板、反射型体积全息照相衍射光栅和透 明的平行平板以从光入射侧的顺序层叠的结构。特别地，从保护反射型体积全息照相衍射 光栅、防止光的散射和防止对比度降低及解晰度下降的角度来看，优选的是反射型体积全 息照相衍射光栅介于第一光导板和透明的平行平板之间。替代地，根据本发明的第一模式的包括上述的优选的形式和构造的图像显示装置 可以如下构造成使得第一偏转部由衍射光栅元件构造成。在本示例中，图像显示装置可以 如下构造成第一偏转部由反射型体积全息照相衍射光栅构造成；并且其中光在第二光导 板的内部以全反射的方式传播的方向表示为Y方向，并且第二光导板的厚度方向表示为X 方向，构成第一偏转部的反射型体积全息照相衍射光栅的干涉条纹的并排(juxtapose)的 方向即衍射方向为Y方向，并且构成第一光导部的反射型体积全息照相衍射光栅的干涉条 纹的并排的方向即衍射的方向为Z方向。另外，在本示例中或在如所述的这样的构造中，图 像显示装置等还可以包括相差板，所述相差板设置在第一光导板和第二光导板之间并且用 于变化从第一光导板输出的偏振分量的相差。另外，图像显示装置可以如下构造成通过相 差板的光的偏振光分量平行于Z方向，S卩，相差板被设置成使得光的待进入第一偏转部的 偏振光分量平行于Z方向。另外，图像显示装置可以如下构造成用于变化从校准光学系统 或中继光学系统射出的偏振光分量的相差的第二相差板被设置在校准光学系统或光学系 统与第一光导板之间。另外，图像显示装置可以如下构造成通过第二相差板的光的偏振光 分量平行于Y方向，即，第二相差板被设置成使得进入第一光导板的光的偏振光分量变得 与Y方向平行。
替代地，根据本发明的第一模式或第二模式的包括上述的优选的形式和构造的图 像显示装置可以被如下构造成第一偏转部衍射入射到第二光导板的光；和第二偏转部衍 射在第二光导板的内部以全反射的方式多次传播的光。在本示例中，图像显示装置等可以 如下构造成第一偏转部和第二偏转部分别由衍射光栅元件构造成。另外，图像显示装置等 可以如下构造成衍射光栅元件由透明型衍射光栅元件构造成，或者一个衍射光栅元件由 反射型衍射光栅元件构造成，另一个衍射光栅元件由透射型衍射光栅元件构造成。
或者，根据本发明的第一模式或第二模式的包括上述的优选的形式和构造的图像 显示装置可以被如下构造成第一偏转部反射入射到第二光导板的光；和第二偏转部传输 并反射在第二光导板的内部以全反射的方式多次传播的光。在本示例中，图像显示装置等 可以如下构造成第一偏转部用作反射镜；和第二偏转部用作半反射镜。同时，根据本发明的第二模式的包括上述的优选的形式和构造的图像显示装置或 光学装置可以被如下构造成光束扩展部由第一反射镜和第二反射镜构造成；第一反射镜被定位于与图像生成装置相对的侧，其中光导部介于第一反射镜与图 像生成装置之间(换句话说，被定位在与光导部的光入射侧相对的侧)；和第二反射镜被定位成相对于光导部邻近于图像生成装置(换句话说，被定位于光 导部的光入射侧)。另外，在本示例中，图像显示装置或光学装置可以如下构造成从图像 生成装置射出的光的部分以预定的次数以如下顺序重复经历如下步骤，即通过光导板和第 一偏转部、由第一反射镜反射、通过光导板和第一偏转部、由第二反射镜反射、通过光导板 和第一偏转部、由第二反射镜反射、和通过光导板和第一偏转部。这里，构成光束扩展部的第一和第二反射镜的每个光反射面可以是光滑的也可以 具有多个凸起和凹入部分。在后面的例子中，优选所述凸起和凹入部分在平行于由X轴和Z 轴定义的平面的平面中延伸，并且具有以下形状即当假设沿由第一反射镜和第二反射镜 的法线和Y轴定义的平面切割所述凸起和凹入部分时，沿着Y轴，将相邻的侧边结合为直角 三角形的直角(这样的相邻的侧边下文中只称为“相邻的侧边”)。具体地说，每个凸起和 凹入部分优选为平行于由X轴和Z轴确定的平面延伸并且具有以下形状即具有直角90度 的直角棱。需要注意的是所述类型的反射镜也被称为翻转镜。所述直角三角形可以是相 邻的侧边彼此长度相等的等腰直角三角形或相邻的侧边彼此长度不同的直角三角形。具体 地说，可以是相同形状的直角三角形的相邻的侧边沿Y轴毗邻，或者可以是不同形状的直 角三角形的相邻的侧边沿Y轴毗邻。具体地说，在前面的例子中，每个凸起和凹入部分可构 造成使得例如等腰直角三角形的相邻的侧边彼此毗邻。另一方面，在后面的例子中，每个凸 起和凹入部分可构造成使得例如每个等腰直角三角形的相邻的侧边在光反射面的中心区 域毗邻，每个不等边直角三角形的相邻的侧边在光反射面的中心区域的右侧毗邻，并且与 所述光反射面的中心区域的右侧的那些侧边对称的每个不等边直角三角形的相邻的侧边 在光反射面的中心区域的左侧毗邻。这里，对应于直角三角形的直角的光反射面的边缘线平行于由X轴和Z轴确定的 平面延伸。为了说明的方便，对应于直角三角形的直角的相邻侧边的光反射面的两个倾斜 面在下文中被分别称为“第一倾斜面”和“第二倾斜面”。进入第一反射镜的光对准第一倾 斜面并被第一倾斜面反射，然后对准第二倾斜面并被第二倾斜面反射，然后从第一反射镜 射出。或者，进入第一反射镜的光对准第二倾斜面并被第二倾斜面反射，然后对准第一倾斜面并被第一倾斜面反射，然后从第一反射镜射出。进入第一倾斜面的光和从第二倾斜面射 出的光平行。类似地，进入第二反射镜的光对准第一倾斜面并被第一倾斜面反射，然后对准 第二倾斜面并被第二倾斜面反射，然后从第一反射镜射出。或者，进入第二反射镜的光对准 第二倾斜面并被第二倾斜面反射，然后对准第一倾斜面并被第一倾斜面反射，然后从第二 反射镜射出。进入第一倾斜面的光和从第二倾斜面射出的光平行。虽然在第一反射镜和第 二反射镜之间，光的反射是重复的，第一反射镜的光束的对准点和第二反射镜的光束的对 准点理论上在Y方向上不移动，但仅在X方向和Z方向上移动。因此，不再需要将在图像生 产装置的Y方向的孔径闭合的直径设定为大直径。需要注意的是当第一反射镜和第二反射镜的光反射面是光滑的时，光反射层设 置在光反射面上。同时，当第一反射镜和第二反射镜的每个光反射面具有多个凸起和凹入 部分时，可以在光反射面上设置或不设置光反射层。在前面的例子中，可以在未允许光能够 进入第一反射镜和第二反射镜的内侧的情况下使得光被反射。或者，可以在允许光能够进 入第一反射镜和第二反射镜的内侧的情况下使得光被反射。另一方面，在后面的例子中， 应当将光引入第一反射镜和第二反射镜的内侧，以使得光被第一倾斜面和第二倾斜面全反 射。替代地，根据本发明的第二模式的包括上述的优选的形式和构造的图像显示装置 或光学装置可以被如下构造成光束扩展部由半反射镜和反射镜构造成；和半反射镜和反 射镜被定位成相对于光导部邻近于图像生成装置(换句话说，被定位于光导部的光入射 侧)。另外，在本示例中，图像显示装置或光学装置可以如下构造成从图像生成装置射出 的一部分光通过半反射镜并 入射(动词形式不对)到光导板中，剩余部分的光被半反射镜 反射并入射到反射镜，并且在反射镜上反射的光的一部分通过半反射镜并入射到光导板， 同时剩余部分的光在半反射镜上反射并入射到反射镜；其中，通过和反射特性被重复执行 预定的次数。第一模式中的图像生成装置的图像形成装置例如是包括反射型空间光调制装 置和光源的图像形成装置，可以是包括透射型空间光调制装置和光源的另一种图像形 成装置(information — formation)，或者可以是包括比如有机EL(电致发光，Electro Luminescence)元件、无机EL元件或发光二极管(LEDs)的发光元件的其他图像形成装 置。在这些图像形成装置中，优选地使用包括反射型空间光调制装置和光源的图像。空间 光调制装置可以例如是透射型或反射型的液晶显示装置，其包括比如例如LC0S(硅基液 晶，Liquid Crystal On Silicon)光或数字微镜器件(digital micromirrordevice, DMD)的光阀，并且光源可以是发光元件。另外，反射型空间光调制装置可以包括液晶显 示装置；和分光镜，其用于反射从光源射出的部分光以将所述的部分光引导向液晶显示装 置并使液晶显示装置所反射的部分光通过那儿以被引导向校准光学系统。形成光源的发 光元件可以是红光发光元件、绿光发光元件、蓝光发光元件或白光发光元件。另外，发光元 件可以是例如半导体激光元件、固态激光器或LED。像素的数目可以基于图像显示装置所 要求的规格来确定。像素数目的特定值可以是320X240、432X240、640X480、854X480、 1024X768或者1920X1080。校准光学系统具有将像素的位置信息转换成为第二光导部的 光学系统的角度信息的功能。校准光学系统可以是凸透镜、凹透镜、自由表面棱镜或全息透 镜(hologram lens)中的单独一种或是他们的组合，从而使光学系统总体上可以具有正的光倍率(optical power)。同时，第二模式中的图像生成装置的光源可以是发光元件，特别地是红光发光元 件、绿光发光元件、蓝光发光元件或白光发光元件。另外，发光元件可以是例如半导体激 光元件、固态激光器或LED。第二模式的图像显示装置的虚拟像素的数目可以基于图像显 示装置所要求的规格来确定。像素数目的特定值可以是320X240、432X240、640X480、 854X480、1024X768或者1920X1080。其中，光源由红光发光元件、绿光发光元件和蓝光 发光元件形成，优选地，例如，使用正交棱镜来执行色彩合成。扫描部对从光源发出的光进 行水平扫描和垂直扫描。例如，可以使用具有沿二维方向可转动的微镜或者具有电流镜 (galvano mirror) ^ MEMS (Micro Electro Mechanical System)。巾 Ifijfef 系统可以由大家所熟知的中断光学系统形成。例如，作为由发光元件和光源构造成的图像形成装置或光源，除通常地发出白光 的背光和液晶显示装置之外，还可以应用下面的构造该构造包括红光发光元件、绿光 发光 元件和蓝光发光元件。图像形成装置A图像形成装置A包括(α)第一图像形成装置，其包括第一发光面板，其中在第一发光面板上以二维矩 阵的形式排列有多个用于射出蓝光的第一发光元件；(β)第二图像形成装置，其包括第二发光面板，其中在第二发光面板上以二维矩 阵的形式排列有多个用于射出绿光的第一发光元件；(γ)第三图像形成装置，其包括第三发光面板，其中在第三发光面板上以二维矩 阵的形式排列有多个用于射出红光的第一发光元件；和( δ )构造用以将从第一图像形成装置、第二图像形成装置和第三图像形成装置射 出的光整合为单独的光束的部分(这样的部件可以是二向棱镜(dichroic prism)；这也类 似以适用于下面的说明)，并且第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件中的各发光元件的发光状态/非发 光状态是受控的。图像形成装置B图像形成装置B包括(α)第一图像形成装置，其包括用于发出蓝光的第一发光元件；和第一光路控 制装置，用于控制从发出蓝光的第一发光元件射出的射出光通过/不通过其中(第一光路 装置是一种例如由液晶显示装置、数字微镜器件(DMD)或LCOS器件的光阀；这也类似地适 用于下面的说明)；(β)第二图像形成装置，其包括用于发出绿光的第二发光元件；和第二光路控 制装置(光阀)，用于控制从发出绿光的第二发光元件射出的射出光通过/不通过其中；(γ)第三图像形成装置，其包括用于发出红光的第三发光元件；和第三光路控 制装置(光阀)，用于控制从发出红光的第三发光元件射出的射出光通过/不通过其中；和( δ )构造用以将从第一光路控制装置、第二光路控制装置和第三光路控制装置射 出的光整合为单独的光束的部分，并且从发光元件射出的射出光的通过/不通过由光路控制装置控制以显示图像。作为将从第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件射出的射出光传导到光路控制装置的部 分(材料，可以使用光导构件、微透镜阵列、镜、反射板或聚光透镜。图像形成装置C图像形成装置C包括( α )第一图像形成装置，其包括第一发光面板，其中以二维矩阵方式排列有多 个用于发出蓝光的第一发光元件；和蓝光光路控制装置(光阀)，用于控制从第一发光元件 射出 的射出光通过/不通过；( β )第二图像形成装置，其包括第二发光面板，其中以二维矩阵方式排列有多 个用于发出绿光的第二发光元件；和绿光光路控制装置(光阀)，用于控制从第二发光元件 射出的射出光通过/不通过；( γ )第三图像形成装置，其包括第三发光面板，其中以二维矩阵方式排列有多 个用于发出红光的第三发光元件；和红光光路控制装置(光阀)，用于控制从第三发光元件 射出的射出光通过/不通过；和( δ )构造用以将通过蓝光光路控制装置、绿光光路控制装置和红光光路控制装置 的光整合为单独的光束的部分，并且从第一发光面板、第二发光面板和第三发光面板射出的射出光的通过/不通过由 光路控制装置(光阀)控制以显示图像。图像形成装置D图像形成装置D是场序型(field sequential type)彩色显示图像形成装置并且 包括(α)第一图像形成装置，其包括用于发出蓝光的第一发光元件；(β)第二图像形成装置，其包括用于发出绿光的第二发光元件；(γ)第三图像形成装置，其包括用于发出红光的第三发光元件；( δ )构造用以将从第一图像形成装置、第二图像形成装置和第三图像形成装置射 出的光整合为单独的光束的部分；和(O光路控制装置(光阀)，用于控制从所述整合部射出的射出光的通过/不通 过，并且从这些发光元件射出的射出光的通过/不通过由光路控制装置(光阀)控制以显 示图像。图像形成装置E图像形成装置E也是场序型彩色显示图像形成装置并且包括( α )第一图像形成装置，其包括第一发光面板，其中以二维矩阵方式排列有多 个用于发出蓝光的第一发光元件(β)第二图像形成装置，其包括第二发光面板，其中以二维矩阵方式排列有多 个用于发出绿光的第二发光元件；( γ )第三图像形成装置，其包括第三发光面板，其中以二维矩阵方式排列有多 个用于发出红光的第三发光元件；( δ )构造用以将从第一图像形成装置、第二图像形成装置和第三图像形成装置射 出的光整合为单独的光束的部分；和
(O光路控制装置(光阀)，用于控制从所述整合部射出的射出光的通过/不通 过，并且从这些发光元件射出的射出光的通过/不通过由光路控制装置(光阀)控制以显 示图像。图像形成装置F图像形成装置F是被动矩阵型或主动矩阵型彩色显示图像形成装置，其中控制第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件中的各发光元件的发光/不发光状态以显示图像。
图像形成装置G图像形成装置G是场序型彩色显示图像形成装置(光阀)，其包括用于控制从以二 维矩阵形式排列的发光元件单元射出的射出光的通过/不通过。在各发光元件单元中，第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件中的各发光元件的发光/不发光状态被分时控 制。另外，光路控制装置控制从第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件射出的射出光 的通过/不通过以显示图像。在第一形式或第二形式的图像生成装置的优选构造中，如上所述，第一偏转部用 作反射镜并且第二偏转部用作半反射镜。在如刚说明的形式中，形成光束扩展部的第一偏 转部或反射镜能够由反光膜形成，该反光膜是一种反射镜(mirror)，例如由包括用于反射 入射到第二光导板的光的合金或包括用于衍射入射到第二光导板的光的衍射光栅(例如， 全息衍射光栅)的金属制成。同时，形成光束扩展部的第二偏转部或半反射镜能够由多层 介电膜、半反射镜、偏振分光镜或全息衍射光栅膜形成。第一和第二折射部被设置于第二光 导板的内部矛盾，即，被整合在第二光导板的内部。因此，第二折射部反射或衍射入射到第 二光导板的平行光，从而使入射到第二光导板的平行在第二光导板的内部被完全地反射。 同时，第二偏转部以全反射的方式多次反射或衍射在第二光导板的内部传播的平行光，并 且以平行光的形式从第二光导板的内部射出所反射或衍射的光。替代地，在第一或第二形式的图像生成装置的另一个优选构造中，第一和第二偏 转部由例如反射型衍射光栅元件形成，特别地例如由上述的反射型体积全息照相衍射光栅 形成。应注意到，为说明的方便起见，由反射型体积全息照相衍射光栅形成的第一偏转部在 下文中有时称为“第一衍射光栅构件”，由反射型体积全息照相衍射光栅形成的第二偏转部 在下文中有时称为“第二衍射光栅构件”。为使第一或第二衍射光栅构件易于用于具有P种不同波长带宽或波长的P (这里 P = 3，用于红光、绿光和蓝光)种不同的光的衍射反射，其能够通过层叠P个均由反射型体 积全息照相衍射光栅形成的衍射光栅层而形成。在各衍射光栅层中，形成有对应于一个频 带或频率的干涉条纹。替代地，为使第一或第二衍射光栅构件易于用于具有P种不同波长 带宽或波长的P种不同光的衍射反射，其可以被构造成使得由单个衍射光栅层形成的第一 或第二衍射光栅构件具有形成于其中的P种干涉条纹。或者可以采用不同的构造，其中视 角被例如等分地分割为三个角度并且第一或第二衍射光栅构件通过对应于分割的视角来 层叠衍射光栅层而形成。通过采用任意的所述的构造，在具有各波长带宽或波长的江由第 一或第二衍射光栅构件衍射和反射时，可以增强衍射效率、增大衍射接收角并优化衍射角。 另外，可以类似地构造第一光导部的反射型体积全息照相衍射光栅。
第一和第二衍射光栅构件可以由光敏聚合物材料形成。均由反射型体积全息照 相衍射光栅形成的第一和第二衍射光栅构件的材料和基础结构可以与现有的反射型体积 全息照相衍射光栅的材料和基础结构相同。反射型体积全息照相衍射光栅指仅衍射和反 射一阶衍射光的全息衍射光栅。虽然衍射光栅构件具有从其内部至其表面而形成的干涉条 纹，这样的干涉条纹的形成方法可以与传统的形成方法相同。特别地，例如，物光从第一预 定方向在一侧照射到形成了衍射光栅构件的光敏聚合物材料的构件上，而参考光同时从第 二预定方向在相反一侧照射到形成了衍射光栅构件的构件上。然后，由物光和参考光形成 的干涉条纹被记录在形成了衍射光栅构件的构件的内部。如果适当地选择了物光和参考光 的第一预定方向、第二预定方向和波长，则能够在衍射光栅构件的表面上实现所期望的干 涉条纹的间距并且能够实现所期望的干涉条纹的衍射倾角(inclination angle)或倾斜角 (slant angle)。干涉条纹的倾角指衍射光栅构件或衍射光栅构件层与干涉条纹限定的角。 在第一和第二衍射光栅构件由P个衍射光栅层的层叠结构形成的情况下，其中各衍射光栅 层均由反射型体积全息照相衍射光栅形成，则P个衍射光栅层可以先彼此分离地制成，然 后使用例如紫外线固化结合剂层叠或粘结。或者，P个衍射光栅层可以另外地通过使用具 有自结合特性的光敏聚合物材料生产出单个衍射光栅层，然后相继地粘结具有自结合特性 的光敏聚合物材料而生成出。形成第一光导部的反射型体积全息照相衍射光栅可以类似地 构造成。
虽然，在第一或第二形式的图像生成装置中，由校准光学系统或中继光学系统形 成为多个平行光束的光被入射到第二光导板内，要求这样的平行光是基于当这样的光进 入第二光导板时并且另外在光从第二光导板通过第一和第二偏转部射出之后需要保持光 波信息。应注意到，为产生多个平行光束，特别地，图像形成装置的发光部应该定位在例如 校准光学系统或中继光学系统的焦距的位置处。校准光学系统具有将像素的位置信息转换 成为在光学装置的光学系统中的角度信息的功能。在图像显示装置中，第二光导板具有两个平行面，即，具有以内部全反射的方式在 光导板的内部平行于光传播方向即Y方向延伸的第一面和第二面。在第二光导板的光所进 入的而为第二光导板入射面，第二光导板的光所射出的面为第二光导板射出面的情况中， 第二光导板入射面和第二光导板射出面可以由第一面形成。或者，第二光导板入射面可以 由第一面形成，而第二光导板射出面由第二面形成。第二光导板、第一光导板或透明平行平板可以由如下材料中的任意材料形成比 如石英玻璃(quartz glass)和比如BK7的光学玻璃的玻璃；和比如PMMA、聚碳酸脂树脂、 丙烯酸基树脂、非晶态聚丙烯基树脂和包括AS树脂的苯乙烯树脂的塑料材料。第二光导板 的形状并不局限于平板形状，而可以是弯曲的形状。本发明的图像显示装置能够用以构造例如头戴式显示(HMD)单元，并且能够有效 地实现装置的轻量化和小开化。另外，能够显著在减小佩戴该装置时的不舒适感，并且此外 能够降低生产成本。头戴式显示单元包括(1)用于安装于观察者的头部的玻璃型框架；和(2)本发明的图像显示装置。头戴式显示单元可以包括一个根据本发明的图像显示装置(单目型)或可以包括两个根据本发明的图像显示装置(双目型)。所述框架包括前部，其设置于观察者的前方；两个边撑部(tempi印ortion)，以 铰接的方式将两个边撑部安装至前部的相对的端部边撑部用于枢转运动；和两个中间部 (modern portion)，中间部被安装至边撑部的端部；并且还包括鼻垫(nose pads)。在观察 整个头戴式显示单元的情况下，除了没有边框之外，框架和鼻垫的组件具有的结构大致与 普通眼镜的结构相同。所述框架可能由与用于普通眼镜的构造的材料相同的材料形成，比 如金属、合金、塑料材料或者这些材料的合适的组合。另外，鼻垫可以由所熟知的构造的结 构形成。另外，从头戴式显示单元的设计的角度出发，或者从易于佩戴头戴式显示单元的 角度出发，头戴式显示单元优选地形成为使得比如来自一个或两个图像生成装置的信号线 或电源线的配线延伸过边撑部、进入中间部的内部并且从中间部的端部向外延伸出并且连 接到外电路，所述外电路可以是控制电路。另外，各图像生成装置包括耳机部，并且头戴式 显示单元被进一步优选地构造成使得耳机配线从图像生成装置延伸通过边撑部、进入中间 部的内部、并且进一步地从中间部的端部延伸出至耳机部。耳机部可以是例如内耳道式 (inner ear type)耳机或者是耳道式(canal type)耳机。更特别地，耳机部配线优选地构 造成使得它们以绕耳廓(auricle)或耳朵(ear capsule)的后侧的方式从中间部的端部延 伸至耳机部。
头戴式显示单元可以形成为使得图像拾取装置被安装至前部的中央部。图像拾取 装置优选地包括例如由CXD传感器或CMOS传感器形成固态图像拾取元件；和透镜。配线 例如可以从图像拾取装置沿前部的后侧延伸并且被连接到一个图像显示装置。另外，配线 可以被包括在从图像生成装置延伸的配线中。在头戴式显示单元被形成为双目型头戴式显示单元的情况中，其优选地构造成第二光导部被整体地设置于观察者的相对于图像生成装置的面的中央侧；头戴式显示单元另外包括联接构件，用于将两个图像显示装置联接于彼此；所述联接构件被安装于框架的被定位在观察者的两个瞳孔之间的中央部的与观 察者相对的侧；并且联接构件的投影图像被包括在框架的投影图像中。如果头戴式显示单元被构造成使得联接构件被以这样的方式安装到框架的定位 在观察者的两个瞳孔之间的中央部，即，被安装到图像显示装置未被直接安装到框架的部 分，则当观察者将该框架佩戴至其头部时，边撑部被置于向外扩展的状态。结果，即使框架 被变形，框架的这样的变形也不会造成图像重现装置或第二光导部的移位或位置变化，或 者即使变形造成了这样的移位，这样的移位的量也非常小。因此，能够确定的防止左侧图像 和右侧图像的会聚角的变化。此外，由于不必要增加框架的前部的刚性，则不会碰到框架的 重量增加、设计性能劣化或成本增加的问题。另外，由于图像显示装置未直接安装到玻璃型 框架的，可以根据观察者的喜好来自由地选择框架的设计、颜色等，并且另外对于框架的设 计的限制也较小，并且具有高的设计自由度。另外，联接构件被设置在观察者的框架之间， 并且此外联接构件的投影图像被包括在框架的投影图像之中。换句话说，当从观察者的前 部观察头戴式显示单元时，联接构件被框架遮蔽。因此，能够为头戴式显示单元提供高的设 计性能。
应注意到，联接构件优选地被安装于其前部的定位在观察者的两个瞳孔之间的中 央部的面。前部的中央部对应于普通眼镜的桥接部。尽管两个图像显示装置通过联接构件彼此联接，特别图像生成装置被优选地安 装于联接构件的端部，从而使得其安装状态可以调整。在本示例中，各图像生成装置优 选地定位于关于观察者的瞳孔的外侧。另外，在如刚才所述的这样的构造中，一个图像 生成装置的被安装的中央部与框架的端部之间的距离表示为α，从联接构件的中央部至 框架的端部的距离表示为β，在另一图像生成装置的被安装的中央部与框架的端部之间 的距离表示为Y，并且框架的长度表示为L，则满足0.01 XL彡α彡0. 30XL。优选地， 满足0. 05XL彡α彡0. 25XL。另外，满足0. 35XL彡β彡0. 65XL，并且优选地，满 足0. 45XL彡β彡0. 55XL。另外，满足0. 70XL彡γ彡0. 99XL，并且优选地，满足 0. 75XLS y S0.95XL。图像生成装置至联接构件的相对端部的安装以如下方式来进行。 特别地，例如，在联接构件的各端部的不同位置处设置三个通孔，并且在各图像生成装置设 置与所述通孔对应的螺纹部。然后，螺钉被插入各通孔并螺旋进入对应的一个设置于图像 生成装置的螺纹部。弹簧被插入在螺钉和螺纹部之间。由此，能够通过螺钉的张紧状态来 调整图像生成装置的安装状态，即调整图像生成装置相对于联接构件的倾斜。 这里，图像生成装置的安装中央部是框架的投影图像的部分沿框架的轴线方向的 二等分点，其中图像生成装置的在图像生成装置与框架在图像生成装置被安装到联接构件 的状态下被投影到虚拟平面时所获得的投影图像与框架的投影图像重叠。另外，联接构件 的中央部是联接构件的在联接构件安装到框架的状态下与框架接触的部分的二等分点。框 架的弯曲部分的长度是框架的投影图像的长度。应注意到，投影方向是垂直于观察者的面 的方向。替代地，头戴式显示单元可以形成为使得尽管两个图像显示装置通过联接构件 彼此联接，特别地，联接构件彼此联接两个第二光导部。应注意到，两个第二光导部有时制 成为单一构件(unitary member) 0在这样的示例中，联接构件被安装到一体地制成的第 二光导部，并且另外该联接形式被包括在其中联接构件将两个第二光导部彼此联接的形式 中。一个图像生成装置的中央部与框架的一个端部之间的距离表示为α ’，另一图像生成装 置的中央部与框架的一个端部之间的距离表示为Υ’，另外α’和Y’的值优选地分别等于 上文中确定的α和Y的值。应注意到，一个图像生成装置的中央部是框架的投影图像的 部分沿框架的轴线方向的二等分点，其中图像生成装置的在图像生成装置和框架在图像生 成装置安装到第二光导部的状态下投影到虚拟平面时的投影图像与框架的投影图像重叠。联接构件的形状能够基本上任意地确定，只要联接构件的投影图像被包括在框架 的投影图像中，并且例如，联接构件可以具有杆或者拉长的板的形状。另外，联接构件的材 料可以是金属、合金、塑料材料或者这些材料的合适的组合。实施方式1实施方式1涉及根据本发明的第一模式的图像显示装置和根据本发明的第一模 式的光学装置并且还涉及第一形式的图像生成装置。下文中说明的根据实施方式1和实施 方式2到4的图像显示装置分别在图1、图2、图3Α和图4中概念性地示出。另外，图像生 成装置、第一光导部和第二光导部的安装状态在图5Α中示意性地示出，并且在图5Β中说明 了当切割第一光导部时的构思。
下文中说明的根据实施方式1的或者根据实施方式2至4中的任一实施方式的图像显示装置100、200、300或400或者包括(A)图像生成装置110或者210 ；(B)第一光导部120，其用于接收、传导和射出从图像生成装置110或210射出的 射出光；和(C)第二光导部130或者330，其用于接收和传导从第一光导部射出的光，并且然 后将所述光向观察者40的瞳孔41射出。第一光导部120包括(B-I)第一光导板121，用于在其内部在全反射的方式传播部分入射光并且将所 传播的光从其中射出；(B-2)反射型体积全息照相衍射光栅122，其设置于第一光导板121。同时，第二光 导部130或330包括(C-I)第二光导板131或331，其用于在其内部以全反射的方式传播入射光并且然 后射出所述光；(C-2)第一偏转部140或340，其设置于第二光导板131或331并且用于偏转入射 到第二光导板131或331的光，从而入射到第二光导板131或者331的光在第二光导板131 或331的内部被完全地反射；和(C-3)第二偏转部150或350，其设置于第二光导板131或331并且用于以全反射 的方式多次偏转在第二光导板131或者331的内部传播的光，以将在第二光导板131或者 331的内部以全反射方式传播的光从第二光导板131或者331射出。应注意到，第二光导部 130或330是透射(see-through)型或者半透射型。同时，下文中所述的根据实施方式1或者根据实施方式2至4中的任意实施方式 的光学装置包括第一光导部120，其用于接收、传导和射出光束；和第二光导部130或330，其用于接收和传导从第一光导部120射出的光束并且然后 射出所述光；第一光导部120包括(a-Ι)第一光导板，用于在其内部在全反射的方式传播部分入射光并且将所传播 的光从其中射出；和(a-2)反射型体积全息照相衍射光栅122，其设置于第一光导板121，和第二光导部130或330包括(b-Ι)第二光导板131或331，其用于在其内部以全反射的方式传播入射光并且然 后射出所述光；(b-2)第一偏转部140或340，其设置于第二光导板131或331并且用于偏转入射 到第二光导板131或331的光，从而入射到第二光导板131或者331的光在第二光导板131 或331的内部被完全地反射；和(b-3)第二偏转部150或350，其设置于第二光导板131或331并且用于以全反射 的方式多次偏转在第二光导板131或者331的内部传播的光，以将在第二光导板131或者 331的内部以全反射方式传播的光从第二光导板131或者331射出。
这里，在实施方式1或实施方式3的图像显示装置100或300中，图像生成装置 110包括(A-I)图像形成装置111，其具有以二维矩阵形式排列的多个像素；和(A-2)校准光学系统112，用于将从图像形成装置111的像素射出的光转换成为平 行光；和通过校准光学系统112转换而获得的平行光的光束被入射到第一光导部120。 第一偏转部140和第二偏转部150被设置于第二光导板131的内部。第一偏转部 140反射进入第二光导板131的光，并且第二偏转部150通过并以全反射的方式多次反射 在第二光导板131的内部传播的光。换句话说，第一偏转部140用作反射镜，并且第二偏转 150用作半反射镜。更特别地，设置于第二光导板131的内部的第一偏转部140由光反射镜 形成，所述光反射镜是一种由铝制成的用于反射进入第二光导板131的光的反射镜。同时， 设置于第二光导板131的内部的第二偏转部150形成为多层的层叠结构，其中层叠有大量 的介电层叠膜。介电层叠膜例如由作为高介电常数材料的Ti02膜和作为低介电常数材料 的Si02膜形成。其中层叠有大量的介电层叠膜的多层层叠结构公开在JP-T-2005-521099 中。同时，在图1和图2中，示出了六层的介电层叠膜，介电层叠膜的层的数目并不局限于 此。在相邻的介电层叠膜之间，第一偏转部140可以通过如下步骤形成切去待设置第一偏转部140以提供倾斜 面的第二光导板131的部分134，其中第一偏转部140在所述倾斜面处形成于第二光导板 131 ；通过蒸镀(vapor deposition)法在所述倾斜面上形成光反射膜；和将第二光导板131 的切去的部分134粘回到第一偏转部140。同时，第二偏转部150可以通过如下步骤形成 产生多层的层叠结构形成，其中层叠有比如第二光导板131的比如例如玻璃的材料的多层 材料和能够例如通过蒸镀形成的较多数目的介电层叠膜；切去第二光导板131的待设置第 二偏转部150以形成倾斜面的部分135 ；将多层层叠结构粘结到所述倾斜面；并且进行抛光 以使外轮廓整齐。能够以该方式实现其中第一偏转部140和第二偏转部150被设置在第二 光导板131中的第二光导部130。在下文中待说明的实施方式1或者实施方式3中，图像形成装置111包括反射型 空间光调制装置160和由发出白光的发光二极管形成的光源163。更特别地，反射型空间 光调制装置160包括由作为光阀的LCOS形成的液晶显示(LCD)装置161 ；和偏振分光镜 162，用于反射来自光源163的一部分光以将所述光引导向液晶显示装置161，并使液晶显 示装置161反射的部分光通过其中以被引导向校准光学系统112。液晶显示装置161包括 以二维矩阵形式排列的多个例如320 X 240个像素或者液晶单元。偏振分光镜162具有所熟 知的构造和结构。从光源163射出的非偏振光碰撞偏振分光镜162。偏振分光镜162使入 射光的P偏振光分量穿过其中并且将所穿过的偏振光分量射出至系统的外侧。另一方面， 入射光的S偏振光分量由偏振分光镜162反射并且进入液晶显示装置161。然后，S偏振光 分量在液晶显示装置161的内部被反射并且然后从液晶显示装置161射出。这里，对于从 液晶显示装置161射出的光，从显示“白色”的像素射出的光包括更多的P偏振光分量，而 从显示“黑色”的其他像素射出的光包括更多的S偏振光分量。因此，从液晶显示装置161 射出的并且与偏振分光镜162碰撞的光中的P偏振光分量通过偏振分光镜162并且被引导 向校准光学系统112。同时，S偏振光分量由偏振分光镜162反射并且被返回到光源163。液晶显示装置161包括以二维矩阵形式排列的多个例如320X240个像素(液晶显示单元 的数目等于像素的数目的三倍)。校准光学系统112例如由凸透镜形成，并且图像形成装置 111，更特别地，液晶显示装置161被设置在校准光学系统112的焦距的位置处，以产生平行 光。同时，一个像素由射出红光的红色发光子像素、射出绿光的绿色发光子像素和射出蓝光 的蓝色发光子像素形成。
这里，在实施方式1或在实施方式2至4中的任意实施方式中，由光学玻璃或者塑 料材料制成的第二光导板131或331具有两个平行面(第一面132或332，和第二面133或 333)，该两个平行面以第二光导板131或331的内部全反射的方式沿平行于光传播方向即 Y方向延伸。第一面132或332和第二面133或333彼此反向。平行光通过对应于光入射 面的第一面132或332进入并在第二光导板131或331的内部以全反射的方式传播，而后 从对应于光射出面的第一面132或332射出。应注意到，光入射面和光射出面并不局限于 此，而是光入射面可以由第二面133或333形成，光射出面可以由第一面132或332形成。为使形成光导部120的反射型体积全息照相衍射光栅122适用于衍射反射具有P 种不同的波长带宽或波长的P(这里P = 3，指红光、绿光和蓝光)种不同的光，反射型体积 全息照相衍射光栅122通过层叠P个衍射光栅层而形成，各衍射光栅层由反射型体积全息 照相衍射光栅形成。应注意到，在各由光敏聚合物形成的衍射光栅层中，形成有对应于一 个频率带宽或对应于一个频率的干涉条纹，并且衍射光栅层由迄今已知的方法生产出。更 特别地，反射型体积全息照相衍射光栅122具有如下的结构其中，层叠有用于衍射和反射 红光的衍射光栅层、用于衍射和反射绿光的衍射光栅层和用于衍射和反射绿光的衍射光栅 层。形成于衍射光栅层形成于衍射光学元件的干涉条纹的间距是固定的，并且干涉条纹具 有线性形式并且沿平行于Y方向的方向延伸。应注意到，所示出的反射型体积全息照相衍 射光栅122为单层。采用如刚所述的这样的构造，在由反射型体积全息照相衍射光栅122 衍射和反射具有所述频率带宽或频率的光时，能够实现提高衍射效率；增大衍射接收角； 和优化衍射角。应注意到，可以类似地构造成下文中要说明的第一衍射光栅构件340和第 二衍射光栅构件350。这里，当在第二光导板131或331中以内部全反射的方式进行的光传播方向被定 义为Y方向并且第二光导板131或331的厚度方向定义为X方向时，通过第一光导板121 的内部全反射方式进行的光传播方向为Z方向并且第一光导板121的厚度方向为X方向。 然后，从第一光导板121射出的光的沿Z方向的光束直径大于入射到第一光导板121的光 的沿Z方向的光束直径。图5B以放大的比例示出了反射型体积全息照相衍射光栅122的内部，参考图5B， 反射型体积全息照相衍射光栅122被设置于第一光导板121的与第二光导板131或331相 对的面121A。因此，一部分入射到第一光导板121的光被反射型体积全息照相衍射光栅122 衍射并且在第一光导板121的内部被一次完全地反射。然后，所述光被反射型体积全息照 相衍射光栅122的面122A完全地反射并且由反射型体积全息照相衍射光栅122衍射，之后 其从第一光导板121射出。同时，剩余部分的入射到第一光导板121的光通过并从第一光导 板121和反射型体积全息照相衍射光栅122射出。特别地，在实施方式1至4中，采用“光 经过两次全反射从第一光导部射出”。然后，为使第一光导板121中的光的该部分的光量和 剩余部分的光量彼此相等以建立待从整个第一光导部120射出的光的均一的光强分布，其中反射型体积全息照相衍射光栅122的反射效率表示为η，并且光透射率T为T = 1，反射效率Π设置为0.62。另外，通过采用上述的这样的构造，可以使得待从第一光导板121射出的光的沿Z 方向的光束直径比待入射到第一光导板121的沿Z方向的光束直径大两倍。换句话说，第 一光导部120用作一种扩展器。因此，从图像生成装置110中射出以进入第一光导部120 的光束的形状由第一光导部120适当地变形，并且具有所变形的形状的光束进入第二光导 部130或330。因此，不需要将图像形成装置111中的沿Z方向的孔隙闭合直径设置成较大 的直径。换句话说，不需要增加在图像形成装置111中设置的校准光学系统中的透镜的直 径，从而或以期望图像显示装置的小型化和轻量化。另外，不会出现显示对比度下降和图像 品质劣化此类的问题。如果反射型体积全息照相衍射光栅122的表面122Α不足够地光滑或者平，则所述 光可能被散射或者对比度下降或者解析度下降。从防止发生刚才所述的问题的角度出发， 并且也为了保护反射型体积全息照相衍射光栅122，反射型体积全息照相衍射光栅122和 透明平行平板被以从光入射侧的顺序层叠。这同样类似地适用于下面所述的其他实施方 式。实施方式2实施方式2是实施方式1的修改例，并且涉及第二模式的图像生成装置。如图2 或图4所示，下文中说明的实施方式2的图像显示装置200或者实施方式4的图像显示装 置400包括(A-I)光源 261 ；(Α-2)校准光学系统262，用于将从光源261射出的光转换成为平行光；(Α-3)扫描部263，用于扫描来自校准光学系统262的平行光；和(Α-4)中继光学系统264，用于中继由扫描部263扫描的平行光；并且通过中继光学系统264的变换所获得的平行光的光束被引导向第一光导部120。第一光导部120和第二光导部130具有的构造和结构分别类似于如上结合实施方 式1所说明的第一光导部120和第二光导部130的构造的结构，因此，这里省略它们的重复 的说明以避免繁琐。光源261包括用于发出红光的红光发光二极管261R、用于发出绿光的绿光发光二 极管261G和用于发出蓝光的蓝光发光二极管261Β，各发光二极管由半导体激光元件形成。 从光源261射出的三原色的光通过交叉棱镜265，由此进行色彩合成以形成单个的光束。结 果生成的光进入通常具有正的光学倍率的校准光学系统262，并且作为平行光从校准光学 系统262射出。该平行光由全反射镜266反射并且然后由MEMS所形成的扫描部263进行 水平扫描和垂直扫描，其中MEMS包括设置用于沿二维方向转动的微镜并且能够以二维的 方式扫描入射光从而将所述平行光转换成为一种二维图像，由此产生虚拟像素。然后，来自 虚拟像素的光通过由熟知的中继光学系统形成的中继光学系统264，并且平行光形式的光 束进入第一光导部120和第二光导部130。实施方式3实施方式3也是实施方式1的修改例。参考图3Α，实施方式3的图像显示装置300 中的图像形成装置111和校准光学系统112和第一光导部120具有的构造和结构分别与上文中结构实施方式1说明的图像形成装置111和校准光学系统112和第一光导部120的构 造和结构类似。尽管第二光导部330的构造和结构与与第一和第二偏转部的构造和结构不 同，其也具有与实施方式1中的第二光导部130的构造和结构类似的基本的构造和结构。特 别地，第二光导部330包括(C-I)第二光导板331，其用于在其内部以全反射的方式传播入射光并且然后射 出所述光；(C-2)第一偏转部340，其设置于第二光导板331并且用于偏转入射到第二光导板 331的光，从而使入射到第二光导板331的光在第二光导板331的内部被完全地反射；和
(C-3)第二偏转部350，其设置于第二光导板331并且用于以全反射的方式多次偏 转在第二光导板331的内部传播的光，以通过全反射的方式将在第二光导板331的内部传 播的光从第二光导板331射出。在实施方式3中，第一和第二偏转部被设置于第二光导板331的表面，特别地，被 设置于第二光导板331的第二面333，并且第二偏转部偏转已经在第二光导板331的内部以 全反射的方式多次传播的光。第一和第二偏转部中的各偏转部由衍射光栅元件形成，特别 地，由反射型衍射光栅元件形成，更特别地，由反射型体积全息照相衍射光栅形成。在下面 的说明中，为说明的方便起见，由反射型体积全息照相衍射光栅形成的第一偏转部称为“第 一衍射光栅构件340”，由反射型体积全息照相衍射光栅形成的第二偏转部称为“第二衍射 光栅构件350”。在下文中说明的实施方式3或者实施方式4中，为使第一衍射光栅构件340和第 二衍射光栅构件350便于衍射反射具有P种不同波长带宽或波长的P (这里P = 3，红光、绿 光和蓝光)种不同的光，第一衍射光栅构件340和第二衍射光栅构件350通过层叠P个衍射 光栅层而形成，各衍射光栅层由反射型体积全息照相衍射光栅形成。应注意到，在各由光敏 聚合物材料制成的衍射光栅层，形成有对应于一个频率带宽的干涉条纹，并且衍射光栅层 通过迄今已知的方法产生。更特别地，第一衍射光栅构件340和第二衍射光栅构件350具 有如下的结构其中，用于衍射和反射红光的衍射光栅层、用于衍射和反射绿光的另一个衍 射光栅层和用于衍射和反射蓝光的又一个衍射光栅层被层叠。形成于衍射光栅层或形成于 衍射光学元件的干涉条纹是固定的，并且干涉条纹具有线性形式并且平行于Z方向延伸。 应注意到，在图3A和图4中，第一衍射光栅构件340和第二衍射光栅构件350示出为单层。 采用如刚才所述的构造能够实现在由第一衍射光栅构件340和第二衍射光栅构件350衍 射和反射具有频率带宽或频率的光时，提高衍射效率、增大衍射接收角和优化衍射角。图3B示出了反射型体积全息照相衍射光栅的放大的示意性局部截面。参考图3B， 反射型体积全息照相衍射光栅具有的干涉条纹具有形成于其中的倾角Φ。这里，倾角Φ由 表面和反射型体积全息照相衍射光栅的干涉条纹限定。干涉条纹从反射型体积全息照相衍 射光栅的内部向其表面而形成。干涉条纹满足Bragg条件。Bragg条件是满足如下表达式 (A)的条件m · λ = 2 · d · sin( θ )(A)其中m是正数，λ是波长，d是光栅面的间距，即沿包括干涉条纹的虚拟平面的法 线方向的距离，和θ是光进入干涉条纹的角度的补角。同时，其中光以倾角Ψ进入衍射光 栅构件的情况中，倾角Φ和入射角Ψ之间的关系由如下的表达式(B)给出
θ =90° -(Φ + Ψ)(B)如上所述，第一衍射光栅构件340被设置于即被粘结于第二光导板331的第二面 333，并且衍射和反射从第一面332进入第二光导板331的平行光以在第二光导板331的内 部完全地反射所述平行光。另外，如上所述，第二衍射光栅构件350被设置于或者被粘结于 第二光导板331的第二面333，并且衍射和反射在第二光导板331的内容被以全反射的方式 多次传播的平行光从而使所述光仍在平行光的形式从第二光导板331的第一面332射出。 但是，入射面和射出面的构造并不局限于此，而是第二光导板的入射面可以由第二面333 形成，第二光导板的射出面可以由第一面332形成。
另外，第二光导板331被构造成使得红色、绿色和蓝色的三种颜色的平行光在其 内部以全反射的方式传播并且然后从其中射出。此时，由于第二光导板331较薄并且光在 第二光导板331的内部行进的光程较长，则第二衍射光栅构件350的全反射的次数依赖于 视角即水平视角而不同。更特别地，来自进入第二光导板331的平行光的、以具有进入第二 衍射光栅构件350的方向的某一角度即水平视角而进入的平行光的反射的次数小于以具 有从第二衍射光栅构件350离开的方向的水平视角进入第二光导板331的平行光的反射的 次数。这是因为当在第二光导板331的内部传播的光入射到第二光导板331的内面上时， 由第一衍射光栅构件340所衍射和反射并且以具有入射到第二衍射光栅构件350的方向的 水平视角而进入第二光导板331的平行光与第二光导板331的法向所限定的角度小于以具 有相反的方向的水平视角进入第二光导板331的平行光与第二光导板331的法向所限定的 角度。另外，形成在第二衍射光栅构件350的内部的干涉条纹的形状和形成在第一衍射光 栅构件340的内部的干涉条纹的形状关于第二光导板331的XZ平面彼此具有对称的关系。另外，相继说明的实施方式4中的第二光导板331具有的构造和结构基本上与上 述的第二光导板331的构造和结构相同。在实施方式3中，在第二光导板331中通过内部全反射的方式实现的光传播方向 定义为Y方向，并且第二光导板331的厚度方向定义为X方向，在第一衍射光栅构件340和 第二衍射光栅构件350中的干涉条纹的方向，即衍射方向为Y方向。另外，在形成第一光导 部120的反射型体积全息照相衍射光栅122中的干涉条纹的方向，即反射型体积全息照相 衍射光栅122的衍射方向为Z方向。在实施方式3中，第一偏转部即第一衍射光栅构件340的中央部与第二偏转部即 第二衍射光栅构件350之间的距离为30mm，并且入射光的波长为522nm。另外，以0度角进 入第二光导板331的入射光的竹筒角即在第二光导板331中的全反射角为59度。另外，第 二光导板331的厚度是1. 5mm，反射系数是1. 52，同时眼睛间隙为15mm。此时，从射向第一 衍射光栅构件340的光的相对于第二光导板331的入射点(该入射点在下文中称为“光入 射点”)至观察者的瞳孔的距离以空气转换距离(air conversion length)度量是40mm。 然后，当水平视角为负时，从光入射点至观察者的瞳孔的距离最大。这里，如果水平视角为 士 11度，并且垂直视角为士8. 3度，则从具有-11度的水平视角的光的光线的光入射点至观 察者的瞳孔41的距离是47mm。需要确保具有士8. 3度的垂直视角的孔径闭合(清晰孔径 (clear aperture))在48mm的距离。因此，在观察者的瞳孔的直径为3mm的情况下，垂直方 向上所需要的突起光学系统的孔径是17mm。该孔径对应于第一光导部120的沿Z方向的光 射出区域的长度。在第一光导板121的厚度为3mm的情况下，折射率为1. 52，入射光的波长为522nm，并且O度入射光的折射角即第一光导板121中的全反射角为59度，对应于-8. 3 度的视角的折射角为49. 7度，并且光通过一次全反射所行进的距离(在图5中标注为“L”) 为7. Imm0通过上述的计算步骤，设置于图像形成装置的透镜的孔径确定为10. 5mm，其中需 要图像形成装置以将平行光入射到第一光导部120中如上所述，在实施方式3中，其中在第二光导板331中以内部全反射的方式进行的 光传播方向定义为Y方向，第二光导板331的厚度方向定义为X方向，第一衍射光栅构件 340和第二衍射光栅构件350的衍射方向为Y方向，并且形成第一光导部120的反射型体积 全息照相衍射光栅122的折射方向为Z方向。在本示例中，用于变化从第一光导板121射出 的偏振光分量的相方向的相差板可以设置在第一光导板121和第二光导板331之间。应注 意到，优选地，使从第一光导板121射出的偏振光分量平行于Z方向。换句话说，相差板可 以设置成使得待进入第一衍射光栅构件340的偏振光分量平行于Z方向。这里，相差板可 以是半波片或者是两个四分之一波片，并且S偏振光分量应该被引导到第一衍射光栅构件 340中。另外，用于变化从校准光学系统或中继光学系统射出的偏振光分量的相差的第二相 差板可以被设置于校准光学系统或中继光学系统与第一光导板121之间。在本示例中，优 选地，第二相差板被设置成使得待进入第一光导板121的偏振光分量与Y方向平行。这里， 相差板可以是半波片或者是两个四分之一波片，并且S偏振光分量应该被引导到反射型体 积全息照相衍射光栅122中。这类似也适用于下面说明的实施方式4，并且在实施方式1或 实施方式2中也可以设置第二相差板。尽管如上所述，光的通过相差板的偏振光分量平行 于Z方向，其原因如下所述。特别地，入射光线由干涉条纹反射和Bragg折射，并且所折射 的光射出(参考图3B，其中图3B是反射型体积全息照相衍射光栅的放大的示意性局部截面 图)。这里，“平行于附图平面并且垂直于入射光的偏振光分量”被认为是作为“P偏振光” 进入干涉条纹。另一方面，“垂直于附图平面”的偏振光分量被认为是作为“S偏振光”进入 干涉条件。反射型体积全息照相衍射光栅的折射效率具有偏振相关性，并且“P偏振光”的 折射效率低于“S偏振光”的折射效率。因此，从提高光利用效率的角度考虑，优选地，待被 引导进入反射型体积全息照相衍射光栅的偏振光是“S偏振光”。实施方式4实施方式4是实施方式3的修改例。实施方式4的图像显示装置概念性地示出在 图4中。实施方式4中的图像显示装置的光源261、校准光学系统262、扫描部263、中继光 学系统264等具有的构造和结构与实施方式2中的构造和结构相同。另外，实施方式4中的 第二光导部330具有的构造和结构与实施方式3中的第二光导部330的构造和结构相同。实施方式5实施方式5涉及根据本发明的第一模式的图像显示装置，并且更特别地涉及头戴 式显示单元，其中上述的图像显示装置100、200、300和400中的任一个分别与实施方式1 至4关联。在图6中示出了实施方式5的头戴式显示单元的从正面观察的示意图，图7中 示出了其中去除了框架的实施方式5的头戴式显示单元的从正面观察的示意图。另外，图 8示出了实施方式的头戴式显示单元的从上方观察的示意图，图9示出了实施方式5的头 戴式显示单元在其佩戴到观察者40的头部的状态时从上方观察的视图。应注意到，为说明 的方便起见，图9仅示出了图像显示装置，而省略了框架。另外，在下面的说明中，虽然所说 明的图像显示装置表示为图像显示装置100，但是当然可以应用图像显示装置200、300和400。 实施方式5的头戴式显示单元包括(A)玻璃型框架10，其用于佩戴到观察者40的头部；和(B)两个图像显示装置100。应注意到，下文中说明的实施方式5或者实施方式6中的头戴式显示单元是包括 两个图像显示装置100的双目型显示单元。实施方式5的头戴式显示单元还包括用于联接两个图像显示装置100的联接构件 20。联接构件20例如用未示出的螺钉被安装到框架10的中央部IOc的与观察者相对的侧， 其中框架10被定位在观察者40的两个瞳孔之间，即位于观察者40和框架10之间。另外， 联接构件20的投影像被包括在框架10的投影图像中。特别地，当从观察者40的前方观察 头戴式显示单元时，联接构件20被框架10遮蔽并且不能被观察到。另外，虽然两个图像显 示装置100由联接构件20而彼此联接，特别地，图像生产装置IlOA和IlOB被安装到联接 构件20的相对端部，从而能够调节其安装状。图像生产装置IlOA和IlOB被定位在相对于 观察者40的瞳孔41的外侧。特别地，在图像生产装置IlOA的安装部中央110A。与框架10 的端部IOA之间的距离表示为α，从联接构件20的中央20。至框架10的端部IOA的距离 表示为β，在另一图像生成装置IlB的安装部中央IOA与框架10的端部IOA之间的距离表 示为Y，并且框架10的长度表示为L，则满足如下的表达式α =0.1XLβ = 0. 5XLy = 0. 9 X L图像生成装置的安装，特别地，将图像生产装置IlOA和IlOB安装到联接构件20 的相对端部以如下方式进行。特别地，例如，在联接构件的各端部的三个部分中设置通孔 (未示出)，与通孔即未示出的螺纹部对应的锥孔被设置于图像生产装置IlOA和110Β，并 且未示出的螺钉被插入各通孔并螺旋进入到设置于各图像生产装置IlOA和IlOB中的锥孔 中。弹簧预先被介于螺钉和锥孔之间。因此，各图像生成装置的安装状态，即各图像生成装 置相对于联接构件的安装状能够通过螺钉的张紧状态来调节。安装之后，螺钉由未示出的 盖遮蔽。应注意到，在图7和图11中，斜线被施加到联接构件20和30以分别清楚地标明 联接构件20和30。框架10包括前部10Β，其设置在观察者40的前言；两个边撑部12，其通过铰接 件11枢转地安装到前部IOB的相对端部；和两个结合部(modernportion)(也称为末端架 (end cells)或耳垫(ear pads))，其安装到边撑部12的端部。联接构件20被安装到前 部IOB的定位在观察者40的两个瞳孔41之间的中央部10C。中央部IOC对应于普通眼镜 中的桥接部。鼻垫14被安装到联接构件20的与观察相对的侧。应注意到，在图8和图12 中，省略了鼻垫14。框架10和联接构件20由金属或塑料材料制成，并且联接构件20具有 弯曲杆的形状。另外，包 括从图像生成装置IlOA延伸出的信号线和电源线的配线15从对应的结 合部13的端部通过相应的边撑部12的内部和结合部13向外侧延伸。另外，图像生产装置 IlOA和IlOB具有耳机部16，并且从各图像生产装置IlOA和IlOB延伸的耳机部配线17从 相应的结合部13的端部穿过边撑部12的内部和结合部13的内部向对应的耳机部16延伸。更特别地，耳机部配线17从结合部13的端部向耳机部16延伸，从而其绕过耳廓的 后 部。通过刚才所述的构造，头戴式显示单元不会对观察者产生耳机部16和耳机部配线17 无序地设置的印象，而给观察者带来的良好的感受。图像拾取装置18被安装到前部IOB的中央部10C，其中图像拾取装置18包括由 CCD(电荷耦合器件)传感器或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器形成的固态图像拾 取元件和透镜，其中图像拾取元件和透镜皆未示出。特别地，在框架10的中央部IOC处形 成通孔，并且凹部被设置于联接构件20的与设置于中央部IOC的通孔相对的部分。图像拾 取装置18设置于凹部。穿过设置于中央部IOC的通孔进入的光由透镜而被对焦到固态图 像拾取元件。来自固态图像拾取元件的信号通过未示出的从图像拾取装置18延伸并且进 一步延伸到外部电路的配线被发送到图像生成装置110A。应注意到，配线通过联接构件20 和前部IOB之间，并且被连接到图像生成装置110A。通过所述的构造，用户在视觉上不易觉 察到图像拾取装置18被整合在头戴式显示单元中。以这种方式，在实施方式5的头戴式显示单元(HMD)中，联接构件20将两个图像 显示装置100彼此联接，并且该联接构件20被安装到框架10的定位在观察者40的两个瞳 孔41之间的中央部10C。特别地，并不以使图像显示装置100被直接安装到框架10的方 式形成各图像显示装置100的结构。因此，当观察者40将框架10佩戴到其头部时，边撑部 12被置于向外膨胀的状态，结果，即使框架10变形，也不会发生图像生产装置IlOA和IlOB 的移位或者位置变化，并且即使发生这样的移位，移位的量也非常小。因此，能够确定地防 止左侧和右侧图像的会聚角变化。此外，由于不需要提高框架10的前部IOB的刚性，则不 会使框架10的重量增加，不会使设计特性劣化，也不会增加成本。另外，由于图像显示装置 100未直接安装到眼镜型框架10，可以根据观察者的喜好自由地选择框架10的设计、颜色 等，并且由于减少了对于框架10的设计的限制，设计的自由度也较高。此外，当从观察者的 前部观察头戴式显示单元时，联接构件20被框架10遮蔽。这样能够为头戴式显示单元提 供高的设计特性。实施方式6实施方式6是实施方式5的修改例。实施方式6的头戴式显示单元的从前部观察 的示意图示出在图10中，并且该实施方式的其中移除了框架的头戴式显示单元的从前部 观察的另一示意图示出在图11中。实施方式6的头戴式显示单元的从上方观察的又一示 意图示出在图12中。在实施方式6的头戴式显示单元中，采用杆的形式的联接构件30不同于实施方式 5中的联接构件，不同之处在于其将两个第二光导部130彼此联接，而不是将两个图像生产 装置IlOA和IlOB彼此联接。应注意到，可以以彼此成为一体的形式生产两个第二光导部 130，并且将联接构件30安装到整合的第二光导部130。另外在实施方式6的头戴式显示单元中，联接构件30例如使用螺钉被安装到框架 10的定位在观察者40的两个瞳孔41之间的中央部10C，并且图像生成装置110相对于瞳 孔41被定位于外侧。应注意到，图像生成装置110被安装到第二光导部130的相对端部。 其中从联接构件30的中央部30。至框架10的一个端部的距离表示为β，框架10的长度表 示为L，则满足β =0.5XL。应注意到，另外在实施方式6中，α’的值和、’的值分别等 于实施方式5中的α和Υ的值。
在实施方式6中，框架10和图像显示装置具有的构造和结构分别与上文中结合实 施方式5说明的框架10和图像显示装置的构造和结构相同。因此，这里略去对它们的详细 说明，以避免重复。另外，除上述的差异之外，实施方式6的头戴式显示单元具有的构造和 结构大体上与实施方式5中的头戴式显示单元的构造和结构相同，因此，这里略去对相同 部分的重叠说明，以避免重复。实施方式7实施方式7涉及根据本发明的第二模式的图像显示装置和根据本发明的第二模 式的光学装置，并且还涉及根据本发明的第一或第二形式的图像生成装置。实施方式7中 的图像显示装置在图14或图15中概念性地示出，并且在图13A中示意性地示出了图像生 成装置、光束扩展部和光导部(根据与其他实施方式的关系到，称为“第二光导部”)的设置 状态。应注意到，图14中示出的图像显示装置被构造成使得实施方式7中的光束扩展部应 用于图3A和图3B中示出的实施方式3的图像显示装置。同时，图15中示出的图像显示装 置被构造成使得实施方式7中的光束扩展部被应用到图4中示出的实施方式4的图像显示
直ο 下文中说明的根据实施方式7或实施方式8的图像显示装置700或800包括(A)图像生成装置110或210 ；和(B)光导部(第二光导部130或330)，其用于接收和传导从图像生成装置110或 210输出的光，并且然后将所述光向观察者40的瞳孔41射出。该光导部(第二光导部130 或330)包括(B-I)光导板(第二光导板131或331)，其用于在其内部以全反射的方式传播入 射光并且将所传播的光从其中射出；(B-2)第一偏转部140或340，其设置于光导板(第二光导板131或331)并且用于 偏转入射到光导板(第二光导板131或331)的光，从而使入射到光导板(第二光导板131 或331)的光在光导板(第二光导板131或331)的内部被完全地反射；和(B-3)第二偏转部150或350，其被设置于光导板(第二光导板131或331)，并且 用于以全反射的方式多次偏转在光导板(第二光导板131或331)传播的光，以通过全反射 的方式将在光导板(第二光导板131或331)的内部传播的光从光导板(第二光导板131 或331)射出。同时，下文中说明的根据实施方式7或实施方式8的光学装置包括光导部(第二光导部130或330)，其用于接收、传导和发出光束。光导部(第二光 导部130或330)包括光导板(第二光导板131或331)，其用于在其内部以全反射的方式传播入射光并 且将所传播的光从其中射出；第一偏转部140或340，其设置于光导板(第二光导板131或331)并且用于偏转 入射到光导板(第二光导板131或331)的光，从而使入射到光导板(第二光导板131或 331)的光在光导板(第二光导板131或331)的内部被完全地反射；和第二偏转部150或350，其被设置于光导板(第二光导板131或331)，并且用于以 全反射的方式多次偏转在光导板(第二光导板131或331)传播的光，以通过全反射的方式 将在光导板(第二光导板131或331)的内部传播的光从光导板(第二光导板131或331)射出。
另外，在下文中说明的实施方式7或实施方式8中，图像显示装置或光学装置还包 括光束扩展部710或810，光束扩展部710或810用于沿不同于X方向和Y方向的Z方向扩 展光并将所扩展的光向光导部射出，其中指光束进入光导板(第二光导板131或331)的进 入方向和光在光导板(第二光导板131或331)中的传播方向分别被定义为X方向(在图 中，标注为-X方向)和Y方向。在实施方式7中，如图13A所示，光束扩展部710包括第一反射镜711和第二反射 镜712。第一反射镜711关于光导部即关于第二光导部330被定位在图像生成装置的相对 侧，即被定位在与光导部的光入射侧相对的侧，而第二反射镜712被定位成关于光导部邻 近图像生成装置，即被定位在光导部的光入射侧。然后，从图像生成装置射出的一部分光 通过光导板和第一偏转部，即第二光导部330。之后，以预定次数重复一系列如下操作通 过第二光导部330的光被第一反射镜711反射并通过光导板和第一偏转部，即第二光导部 330，然后被第二反射镜712反射，之后一部分被反射的光通过漏极和第一偏转部，即第二 光导部330。在图13A所说明的示例中，光由第二反射镜712反射两次。在第一反射镜711 和第二反射镜712彼此平行地延伸并且光由第二反射镜712反射两次的情况中，在首先进 入光导板即第二光导板331的光的Z方向上，开始在光导板即第二光导板331的内部传播 的光的光程最终被拉伸三倍。这里，第一反射镜711和第二反射镜712优选地以彼此平行的方式延伸。另外，进 入光导板即第二光导板331的光可以首先垂直于光导板即第二光导板331入射，或者可以 以不同于0度的一定的入射角进入。同时，在第一衍射光栅构件340由反射型体积全息照相衍射光栅形成的情况中， 通过选择用于反射型体积全息照相衍射光栅的材料、优化反射型体积全息照相衍射光栅的 厚度和优化反射型体积全息照相衍射光栅的折射率调制度Δη，反射型体积全息照相衍射 光栅的光透射系数T能够设置成例如0. 1至0. 9。例如可以通过进行不同的测试来确定光 透射系数Τ。或者，可以沿Z方向变化光透射系数Τ。通过这些对策，在光导板的内部即在 第二光导板331的内部传播的光的沿Z方向的亮度的差异能够被减小。在首先进入光导板即第二光导板331的光垂直地进入光导板，即进入第二光导板 331的示例中，第一反射镜711和第二反射镜712以彼此平行的方式延伸并且另外第一反 射镜711和第二反射镜712之间的距离即第一反射镜711的法线的与第二反射镜712相交 时的法线的长度表示为Ltl，由第一反射镜711和光导板即第二光导板331限定的角度表示 为θ d，光进入第一反射镜711时的入射角表示为θ in，并且此外光在其首先进入第一反射 镜711时的沿Z方向的长度表示为Ztl，则‘ θ d、θ ^和Ztl可以具有由如下表达式给出的关 系Z0 = 2XL0Xtan( θ J Xcos( θ d)通过采用上述的构造，能够使待从光束扩展部710射出的光的沿Z方向的光束直 径大于入射到光束扩展部710的光的沿Z方向的光束直径。因此，从图像生成装置射出以 进入光束扩展部710的光束的形状被光束扩展部710适当地变形，并且然后被引导到第二 光导部330中。因此，不需要在图像显示装置中设置沿Z方向的大的孔径闭合直径。换句 话说，不需要增加设置于校准光学系统等的透镜的直径，其中校准光学系统设置于图像形成装置，并且能够期望实现图像显示装置的小型化和轻量化。另外，不会发生显示对比度下 降和图像品质劣化的问题。这类似地也应用于下文中说明的实施方式8。在实施方式7的图像显示装置700中，与实施方式1类似，图像生成装置110包 括(A-I)图像形成装置111，其具有以二维矩阵形式排列的多个像素；和
(A-2)校准光学系统112，其用于将从图像形成装置111的像素射出的光转换成为 平行光；并且由校准光学系统112转换所获得的平行光的光束被引导向光束扩展部710。或者，在实施方式7的图像显示装置700中，与实施方式2类似，图像生成装置210 包括(A-I)光源 261 ；(A-2)校准光学系统262，其用于将从光源261射出的光转换成为平行光；(A-3)扫描部263，其用于扫描从所述校准光学系统262射出的平行光；和(A-4)中继光学系统264，其用于中继由扫描部263扫描的平行光；并且通过中继光学系统264的转换所获得的平行光的光束被引导向光束扩展部710。应注意到，光导部即第二光导部330可以以类似于上文中结合实施方式3所说明 的第二光导部330的方式构造成，因此，这里略去对相同部分的重叠说明，以避免重复。另 夕卜，上述的实施方式7的图像显示装置和下文中说明的实施方式8的图像显示装置自然能 够应用于上文中结合实施方式5和实施方式6所说明的头戴式显示单元。实施方式8 实施方式8是实施方式7的修改例。根据实施方式8的图像显示装置在图16至图 19中概念性地示出，在图13B中示意性地示出了图像生成装置、光束扩展部和光导部(类似 于实施方式7的说明，下文中称为“第二光导部”)的设置状态。应注意到，图16中示出的 图像显示装置是实施方式8中的光束扩展部应用于上文中参考图3A说明的实施方式3的 图像显示装置的应用示例。同时，图17中示出的图像显示装置是实施方式8中的光束扩展 部应用于上文中参考图4说明的实施方式4的图像显示装置的应用示例。另外，图18中示 出的图像显示装置是实施方式8中的光束扩展部应用于上文中参考图1说明的实施方式1 的图像显示装置的应用示例。而且，图19中示出的图像显示装置是实施方式8中的光束扩 展部应用于上文中参考图2说明的实施方式2的图像显示装置的应用示例。在实施方式8中，光束扩展部810包括关于光导部被定位成邻近于图像生成装置 的半反射镜811和反射镜812，即被定位于光导部的光入射侧。从图像生成装置射出的一部 分光通过半反射镜811并进入光导部即第二光导部130或330，而剩余部分的光由半反射镜 811反射并进入反射镜812。然后，以预定次数重复如下一系列操作由反射镜812的一部 分光通过半反射镜811，并进入光导板即第二光导部130或330，而剩余部分的光由半反射 镜811反射并行进到反射镜812。在图13B所示的示例中，光由第二反射镜812反射两次。 在半反射镜811和反射镜812彼此平行地延伸并且光由反射镜812反射两次的情况中，在 首先进入光导板即第二光导板331的光的Z方向上，开始在光导板即第二光导板131或331 的内部传播的光的光程最终被拉伸三倍。优选地，半反射镜811和反射镜812以彼此平行的方式延伸。另外，进入光导板即第二光导板131或331的光可以垂直于光导板即第二光导板131或331入射，或者可以以 不同于O度的一定的入射角入射。同时，在第一衍射光栅构件340由反射型体积全息照相衍射光栅形成的情况中， 通过选择用于反射型体积全息照相衍射光栅的材料、优化反射型体积全息照相衍射光栅的 厚度和优化反射型体积全息照相衍射光栅的折射率调制度△ n，反射型体积全息照相衍射 光栅的光透射系数T能够设置成例如0. 1至0. 9。例如可以通过进行不同的测试来确定光 透射系数T。通过这些对策，在光导板的内部即在第二光导板331的内部传播的光的沿Z方 向的亮度的差异能够被减小。在首先进入光导板即第二光导板331的光垂直地进入光导板，即进入第二光导板 331的示例中，半反射镜811和反射镜812以彼此平行的方式延伸并且另外半反射镜811 和反射镜812之间的距离即半反射镜811的法线与反射镜812相交时的法线的长度表示为 L0,由半反射镜811和光导板即第二光导板331限定的角度表示为θ d，光进入半反射镜811 时的入射角表示为θ in，并且此外光在其首先进入半反射镜811时的沿Z方向的长度表示 为Ztl，贝U k、6d> θ in和Ztl可以具有如下给出的表达式 Z0 = 2XL0Xtan( θ J Xcos( θ d)应注意到，在实施方式8的图像显示装置800中，图像生成装置110可以被构造成 类似于实施方式1中的图像生成装置，并且图像生成装置210可以被构造成类似于实施方 式2中的图像生成装置。另外，光导部即第二光导部130或330可以以类似于上文中结合 实施方式1所述的第二光导部130或上文中结合实施方式3说明的第二光导部330的方式 构造成，因此，这里略去对他们的详细说明，以避免重复。实施方式9实施方式9也是实施方式7的修改。图28A和28B示出了图像生成装置的设置状 态的示意图，分别从Y方向和ζ方向看示出实施方式9的光束扩展部和光导部。需要注意 的是第二光导板331未在图28B中示出，并且第二光导板也未在图30B中示出。在上述实施方式7的描述中的光束扩展部710中，在光导板，即第二光导板331的 内开始传播的光最终被扩展至例如大约在Z轴中为最初入射至光导板，即第二光导板331 的光的三倍。然而，根据具体情况，可能出现需要将图像形成装置的Y方向中的孔径闭合的 直径设定为大直径。光束被设定为其水平视角在校准光学系统112或中继光学系统264中 假定一负最大角。当光束进入光束扩展部710时光束在光束扩展部710中的动作示意性地 示出在图30A和30B中。这里图30A和30B是示出图像生成装置的设置状态的示意图，分 别从Y方向和Z方向看示出实施方式7中的光束引导部和光导部。如图30A和30B所示，在所述第一反射镜711和第二反射镜712之间分别被反射 的光束沿Y方向逐渐地移动。例如，在图30A和30B中，被参考标记标识的光束在“b”点对 准第一反射镜711并被第一反射镜711反射，然后在“C”点对准第二反射镜712并被第二 反射镜712反射，其中，所述光束的水平视角假设一负最大角。然后，所述光束在“d”点对 准第一反射镜711并被第一反射镜711反射，然后在“e”点对准第二反射镜712并被第二 反射镜712反射，然后沿第二光导部330的Y方向进入终点“f”并在终点“f”被衍射和反 射。在这个例子中，沿第二光导部330的Y方向进入终点“f”光束相对于射出位置“a”从 校准光学系统112或者中继光学系统264沿-Y方向偏移ΔΥ’。类似地，当另一光束设定为其水平视角假设一正最大值时，所述光束相对于射出位置从校准光学系统112或者中继光 学系统264沿+Y方向偏移Δ Y’。这里，第一偏转部340的位置成为在Y方向中的孔径闭合位置，其中所述第一偏转 部衍射和反射从校准光学系统112或者中继光学系统264射出并进入第二光导部330的平 行光束族。从而，有时需要将校准光学系统112或者中继光学系统264的沿Y方向的直径 设定为大直径。具体地说，在图30Α和30Β所示的例子中，校准光学系统112或者中继光学 系统264的沿Y方向的直径必须具有等于第 一偏转部340的Y方向中的长度和2Χ Δ Y’的 总和的值。在实施方式9中，如图29Α和29Β所示，它们示出放大的光束扩展部，构成光束扩 展部720的第一反射镜721和第二反射镜722的光反射面分别具有多个凹入和凸起部分 723和724。这里，凹入和凸起部分723和724沿平行于由X轴和Z轴定义的平面的平面延 伸并且具有以下形状即当假设沿由第一反射镜721和第二反射镜722的法线和Y轴定义 的平面切割所述凹入和凸起部分723和724时，沿着Y轴，将相邻的侧边结合为直角三角形 的直角具体地说，每个凹入和凸起部分723和724具有以下矩形棱的形状其轴线沿平行 于由X轴和Z轴确定的平面延伸并且其垂直角为90度。虽然，在实施方式9中，所述直角 三角形为相邻的侧边彼此长度相等的等腰直角三角形并且沿Y轴的同形状的直角三角形 的相邻的侧边彼此毗邻，所述凹入和凸起部分723和724的结构不限于此。需要注意的是 从校准光学系统112或者中继光学系统264的中心射出并穿过图像形成装置侧节点(side nodalpoint)的中心光束进入第一反射镜721的点被定义为反射镜中心点。另外，穿过第一 反射镜的中心并平行于X方向延伸的轴线被定义为X轴，并且穿过第一反射镜的中心并平 行于Y方向延伸的轴线被定义为Y轴，并且平行于Z方向的轴被定义为Z轴。为了方便说明，对应于写入角三角形(write-angled triangle)的直角的相邻的 侧边的光反射面的两个倾斜面分别被标识为第一倾斜面723A或724A和第二倾斜面723B 或724B。如图29C所示，其示出了放大局部截面图，入射到第一反射镜721的光对准例如 第一倾斜面723A并且被第一倾斜面723A反射，然后对准第二倾斜面723B并被第二倾斜面 723B反射，然后从第一反射镜721射出。进入第一倾斜面723A的光和从第二倾斜面723B 射出的光彼此平行。类似地，进入第二反射镜722的光对准例如第一倾斜面724A并被第一 倾斜面724A反射，然后对准第二倾斜面724B并被第二倾斜面724B反射，然后从第二反射 镜射出。进入第一倾斜面724A的光和从第二倾斜面724B射出的光彼此平行。需要注意的 是由光反射材料例如铝制成的光反射层725和726分别设置在第一反射镜721和第二反射 镜722的光反射面上。设定一光束，在校准光学系统112或中继光学系统264中其水平视角假设一最大 值。图28A和28B示意性地示出了当上述光束进入光束扩展部720时光束扩展部720的动作。如图28A和28B所示，在第一反射镜721和第二反射镜722之间，光的反射是重复 的。然而，第一反射镜721的光束的对准点和第二反射镜722的光束的对准点理论上在Y 方向上不移动，但仅在X方向和Z方向上移动。例如，在图28A和28B所示的例子中，标记 为“a”的光束(其水平视角假设以负最大值)在“b”点对准第一反射镜721并被第一反射 镜721反射，然后在“C”点对准第二反射镜722并被第二反射镜722反射。然后，所述光束在“d”点对准第一反射镜721并被第一反射镜721反射，然后在“e”点对准第二反射镜722 并被第二反射镜722反射，然后进入第二光导部330的Y方向终点“f”并在终点“f”被衍 射和反射。在这个例子中，沿第二光导部330的Y方向进入终点“f”光束相对于射出位置 “a”从校准光学系统112或者中继光学系统264沿-Y方向偏移ΔΥ。类似地，当另一光束 设定为其水平视角假设一正最大值时，入射到Y方向终点“f ”的所述光束相对于射出位置 从校准光学系统112或者中继光学系统264沿+Y方向偏移Δ Y。然而，偏移量Δ Y的值小 于图30Β中示出的偏移量Δ Y’的值。这里，如上所述，第一偏转部340的位置成为在Y方向中的孔径闭合位置，其中所 述第一偏转部衍射和反射从校准光学系统112或者中继光学系统264射出并进入第二光导 部330的平行光束族。具体地说，在图28Α和28Β所示的例子中，必须将校准光学系统112 或者中继光学系统264的沿Y方向的直径设定为等于第一偏转部340的Y方向中的长度和 2Χ ΔY的总和的值。然而，所述偏移量ΔΥ的值必然小于图30Β中描述的偏移量ΔΥ’的 值。因此，不需要将第一反射镜721和第二反射镜722形成为翻转镜来将校准光学系统 112 和中继光学系统264在Y方向的直径设定为大值，或者，即使所述直径被设定为大值，也不 需要将Y方向的直径非常大。另外，在实施方式3或4中的第二光导部中，可以采用如下的构造由透射型全息 片形成的第一偏转部被设置于第二光导板331的第一面332上，并且由反射全息片形成的 第二偏转部被设置于第二面333上。作为用于实施方式1、实施方式3、实施方式7或实施方式8的图像形成装置的修 改例，例如可以使用在图20中概念性地示出的主动矩阵型图像形成装置。参考图20，该图 形成装置包括其中以二维矩阵形式排列有由半导体发光元件形成的多个发光元件501的 发光面板。各发光元件501的发光/不发光状态受控，从而可以直接观察到发光元件501 的发光状态以显示图像。从图像形成装置射出的光通过校准光学系统112进入第二光导板 131 或 331。替代地，如图21中概念性地示出的，该图像形成装置可以形成为用于彩色显示的 图像形成装置，其包括(α)红光发光面板511R，其中以二维矩阵形式排列有用于发出红光的红光发光 元件50IR ；(β)绿光发光面板511G，其中以二维矩阵形式排列有用于发出绿光的绿光发光 元件50IG ；(γ)蓝光发光面板511Β，其中以二维矩阵形式排列有用于发出蓝光的蓝光发光 元件50IB ；和( δ )比如，例如二向色棱镜503的构件，用于将从红光发光面板511R、绿光发光面 板511G和蓝光发光面板511Β射出的光整合为单个的光束，并且红光发光元件50IR ；、绿光发光元件50IG和蓝光发光元件50IB的发光/不发光 状态被分别控制。另外，从图像形成装置射出的光通过校准光学系统112被引导向第二光 导板131或者331。应注意到，附图标记512标示用于聚集从发光元件射出的光的微镜元 件。包括发光面板511R、5IlG和5IlB的图像形成装置在图22中概念性地示出，其中在发光面板511R、511G和511B中分别以二维矩阵形式排列有上述的发光元件501R、501G 和501B。参考图22，从发光面板511R、511G和511B射出的光被分别控制以通过或不通过光 路控制装置504R、504G和504B，并进入二向色棱镜503，这些射出的光通过二向色棱镜503 被整合成为单个的光束。该光束通过校准光学系统112被射入第二光导板131或331。
同时，包括发光面板511R、511G和511B的图像形成装置在图23中概念性地示出， 其中在发光面板511R、511G和511B中分别以二维矩阵形式排列有上述的发光元件501R、 501G和501B。参考图23，从发光面板511R、511G和511B射出的光入二向色棱镜503，这些 光束由二向色棱镜503整合成为单个的光束。然后，从二向色棱镜503射出的光被光路控 制装置504控制通过或不通过并且通过校准光学系统112被射入第二光导板131或331。替代地，该图像形成装置可以具有如图24中所示的构造。参考图24，图像形成装 置包括用于发出红光的红光发光元件501R，和比如例如液晶显示装置504R的光路控制装 置，其中液晶显示装置504R是一种用于控制从红光发光元件501R发出的光的通过/不通 过的光阀；用于发出绿光的绿光发光元件501G，和比如例如液晶显示装置504G的光路控制 装置，其中液晶显示装置504G是一种用于控制从绿光发光元件501G发出的光的通过/不 通过的光阀；和用于发出蓝光的蓝光发光元件501B，和比如例如液晶显示装置504B的光路 控制装置，其中液晶显示装置504B是一种用于控制从蓝光发光元件501B发出的光的通过/ 不通过的光阀。该图像形成装置还包括光导构件502，用于传导从各发光元件501R、501G 和501B射出的光，其由Ga-N基半导体缺氧；和比如例如二向色棱镜503的构件，用于将光 导构件502所传导的光整合成为单个的光束。本申请包括2009年7月22日在日本专利局提交的日本特开JP 2009-170730中， 2010年4月27日在日本专利局提交的JP2010-101615中和2010年6月30日在日本专利 局提交的JP2010-149346中所公开的主旨，这里通过参考并入其全部内容。
权利要求
一种图像显示装置，包括(A)图像生成装置；(B)第一光导部，用于接收、传导和发射从所述图像生成装置射出的光；和(C)第二光导部，用于接收和传导从所述第一光导部射出的光，然后将所述光朝向观察者的瞳孔射出；所述第一光导部包括(B 1)第一光导板，用于在其内部以全反射的方式传播一部分所述入射光，并且从其中射出所述光，和(B 2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置于所述第一光导板上，所述第二光导部包括(C 1)第二光导板，其构造成在内部以全反射的方式传播入射光，并且然后射出所述光，(C 2)第一偏转部，其设置在所述第二光导板中并用于偏转入射到所述第二光导板的光，从而使得入射到所述第二光导板的光被完全反射到所述第二光导板的内部中，和(C 3)第二偏转部，其设置在所述第二光导板中并用于偏转以全反射的方式多次偏转在所述第二光导板的内部传播的光，以从所述第二光导板以全反射的方式射出在所述第二光导板的内部传播的光。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像生成装置包括 (A-I)图像形成装置，其具有形成为二维矩形的阵列的多个像素；和(A-2)校准光学系统，其用于将从所述图像形成装置的像素射出的光转换成为平行光，和通过由所述校准光学系统的转换所获得的所述平行光的光束被引入到所述第一光导部。
3.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像生成装置包括 (A-I)光源；(A-2)校准光学系统，其用于将从所述光源射出的光转换成为平行光； (A-3)扫描部，其用于扫描从所述校准光学系统射出的所述平行光；和 (A-4)中继光学系统，其用于中继由所述扫描部扫描的所述平行光，和 通过由所述中继光学系统的转换所获得的平行光的光束被引入到所述第一光导部。
4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，在所述第二光导板的内部由全 反射形成的光传播方向表示为Y方向，并且所述第二光导板的厚度方向表示为X方向，在所 述第一光导板的内部由全反射形成的光传播方向为Z方向，并且所述第一光导板的厚度方 向为X方向，和从所述第一光导板射出的光中沿所述Z方向的光束直径大于入射到所述第一光导板 的光中沿所述Z方向的所述光束直径。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述反射型体积全息照相衍射 光栅被设置于所述第一光导板的与所述第二光导板相对的面上，并且入射到所述第一光导板的一部分光被所述反射型体积全息照相衍射光栅衍射，在所述 第一光导板的内部被一次性地全反射，在所述反射型体积全息照相衍射光栅的表面上被一次性地全反射，由所述反射型体积全息照相衍射光栅衍射，然后从所述第一光导板射出，同 时入射到所述第一光导板的剩余部分的光在通过所述第一光导板和所述反射型体积全 息照相衍射光栅之后从所述第一光导板射出。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一光导部具有如下结构 在该结构中，所述第一光导板、所述反射型体积全息照相衍射光栅和透明的平行平板以所 述光入射侧顺序层叠。
7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一偏转部由衍射光栅元 件构造成。
8.根据权利要求7所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一偏转部由反射型体积 全息照相衍射光栅构造成，和在所述第二光导板的内部由全反射形成的所述光传播方向表示为Y方向，并且所述第 二光导板的所述厚度方向表示为X方向，构造成所述第一偏转部的所述反射型体积全息照 相衍射光栅的所述衍射方向为Y方向并且构造成所述第一光导部的所述反射型体积全息 照相衍射光栅的所述衍射方向为Z方向。
9.根据权利要求8所述的图像显示装置，其特征在于，还包括相差板，所述相差板设置 在所述第一光导板和所述第二光导板之间并且构造成用以变化从所述第一光导板输出的 偏振分量的相差。
10.根据权利要求9所述的图像显示装置，其特征在于，通过所述相差板的光的所述偏 振分量平行于所述Z方向。
11.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一偏转部衍射入射到所 述第二光导板的光，并且所述第二偏转部以全反射的方式多次衍射在所述第二光导板的内部传播的光。
12.根据权利要求11所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一偏转部和所述第二 偏转部分别由衍射光栅元件构造成。
13.根据权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，所述衍射光栅元件由反射型 衍射光栅元件构造成。
14.根据权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，所述衍射光栅元件透射型衍 射光栅元件构造成。
15.根据权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，一个衍射光栅元件由反射型 衍射光栅元件构造成，而另一个衍射光栅元件由透射型衍射光栅元件构造成。
16.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一偏转部反射入射到所 述第二光导板的所述光；和所述第二偏转部以全反射的方式多次传输并反射在所述第二光导板的内部传播的光。
17.根据权利要求16所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一偏转部用作反射镜，和所述第二偏转部用作半反射镜。
18.一种光学装置，其包括第一光导部，用于接收、传导和射出光束；和第二光导部，用于接收和传导从所述第一光导部射出的所述光束并且然后射出所述光，所述第一光导部包括(a-Ι)第一光导板，用于以全反射的方式在其内部传播一部分入射光，并且从其中射出 所述光，和(a-2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置于所述第一光导板上， 所述第二光导部包括(b-Ι)第二光导板，其构造成在其内部以全反射的方式传播入射光，然后射出所述光， (b-2)第一偏转部，其设置于所述第二光导板用于偏转入射到所述第二光导板的光，从 而使入射到所述第二光导板的光在所述第二光导板的内部被完全地反射，和(b-3)第二偏转部，其设置于所述第二光导板用于以全反射的方式多次偏转在所述第 二光导板的内部传播的光，以通过全反射的方式将在所述第二光导板的内部传播的光从所 述第二光导板射出。
19.一种图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；和(B)光导部，用于接收和传导从所述图像生成装置输出的光，然后将所述光射向观察者 的瞳孔，所述光导部包括(B-I)光导板，用于以全反射的方式在其内部传播所述入射光并且从其内部射出所述光，(B-2)第一偏转部，其设置于所述光导板并且用于偏转入射到所述光导板的光，从而入 射到所述光导板的光在所述光导板的内部被完全地反射，和(B-3)第二偏转部，其设置于所述光导板并且用于以全反射的方式多次偏转在所述光 导板的内部传播的光，以通过全反射将在所述光导板的内部传播的光从所述光导板射出， 所述图像显示装置还包括光束扩展部，其中，所述光进入所述光导板的方向和所述光在所述光导板中的传播方 向分别被定义为X方向和Y方向，所述光束扩展部扩展从所述图像生成装置沿Z方向射出 的光并将所扩展的光射出到所述光导部。
20.根据权利要求19所述的图像显示装置，其特征在于，所述光束扩展部由第一反射 镜和第二反射镜构造成，所述第一反射镜被定位于与所述图像生成装置的相对侧，其中所述光导部介于所述第 一反射镜与所述图像生成装置之间，并且所述第二反射镜相对于所述光导部被定位成邻近所述图像生成装置，
21.根据权利要求20所述的图像显示装置，其特征在于，从所述图像生成装置输出的 一部分光以预定的次数经历如下步骤通过所述光导板和所述第一偏转部，由所述第一反 射镜反射，通过所述光导板和所述第一偏转部，由所述第二反射镜反射，并且一部分所述光 通过所述光导板和所述第一偏转部。
22.根据权利要求21所述的图像小时装置，其特征在于，构成所述光束扩展部的所述 第一和第二光导板的每个光反射面具有多个凸起和凹入部分，所述凸起和凹入部分沿平行于由X轴和Z轴确定的平面的平面延伸并且具有以下形状即当假设沿由第一反射镜和第 二反射镜的法线和Y轴确定的平面切割所述凸起和凹入部分时，沿着Y轴，将相邻的侧边结 合为直角三角形的直角。
23.根据权利要求19所述的图像显示装置，其特征在于，所述光束扩展部由半反射镜 和反射镜构造成，和所述半反射镜和所述反射镜被定位成相对于所述光导部邻近所述图像生成装置。
24.根据权利要求23所述的图像显示装置，其特征在于，从所述图像生成装置射出的 一部分光通过所述半反射镜并入射到所述光导板，并且剩余部分的光在所述半反射镜上被 反射并入射到所述反射镜，并且所述反射镜上反射的一部分光通过所述半反射镜并入射到 所述光导板，同时剩余部分的光在所述半反射镜上被反射并入射到所述反射镜，通过和反射动作被重复执行预定的次数。
25.一种光学装置，其包括光导部，用于接收、传导和射出光束，所述光导部包括光导板，用于以全反射的方式在其内部传播所述入射光并且从其内部射出所述光，第一偏转部，其设置于所述光导板并且用于偏转入射到所述光导板的光，从而入射到 所述光导板的光在所述光导板的内部被完全地反射，和第二偏转部，其设置于所述光导板并且用于以全反射的方式多次偏转在所述光导板的 内部传播的光，以通过全反射将在所述光导板的内部传播的光从所述光导板射出。所述光学装置还包括光束扩展部，其中所述光进入所述光导板的方向和所述光在所述光导板中的传播方向 分别被定义为X方向和Y方向，所述光束扩展部扩展从所述图像生成装置沿Z方向射出的 光并将所扩展的光射出到所述光导部。
26.一种图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；(B)第一光导部，用于接收、传导和射出从所述图像生成装置射出的光；和(C)第二光导部，用于接收和传导从所述第一光导部射出的光，然后将所述光朝向观察 者的瞳孔射出。所述第一光导部包括(B-I)第一光导板，用于以全反射的方式在其内部传播一部分入射光，并且从其中射出 所述光，和(B-2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置在所述第一光导板上，所述第二光导部包括(C-I)第二光导板，其构造成在其内部以全反射的方式传播入射光并且然后射出所述光，(C-2)第一偏转部，其设置于所述第二光导板并且用于偏转入射到所述第二光导板，和(C-3)第二偏转部，其设置于所述第二光导板并且用于以全反射的方式偏转在所述第 二光导板的内部传播的光。
27.根据权利要求26所述的图像显示装置，其特征在于，所述反射型体积全息照相衍射光栅设置于所述第一光导板的与所述第二光导板相对的面上。
28.一种图像显示装置，其包括(A)图像生成装置；和(B)光导部，其用于接收和传导从所述图像生成装置输出的光，并且然后将所述光射向 观察者的瞳孔，所述光导部包括(B-I)光导板，用于以全反射的方式在其内部传播所述入射光，并且从其中射出所述光，(B-2)第一偏转部，共设置于所述光导板并且用于偏转入射到所述光导板的光，和 (B-3)第二偏转部，其设置于所述光导板并且用于通过全反射的方式多次传播在所述 光导板的内部传播的所述光， 所述图像显示装置还包括光束扩展部，其中所述光进入所述光导板的进入方向和所述光在所述光导板中的传播 方向分别被定义为第一方向和第二方向，所述光束扩展部沿不同于所述第一方向和所述第 二方向的第三方向扩展从所述图像生成装置射出的光并且将所扩展的光射向所述光导部。
29.根据权利要求28所述的图像显示装置，其特征在于，所述光束扩展部由至少两个 反射镜构造成，其中所述光导部介于两个反射镜之间。
30.一种光学装置，其包括第一光导部，其构造成用以接收、传导和射出光束；和第二光导部，其构造成接收和传导从所述第一光导部射出的光束并且然后射出所述光，所述第一光导部包括(a-Ι)第一光导板，用于以全反射的方式在其内部传播一部分所述入射光并且然后射 出所述光，和(a-2)反射型体积全息照相衍射光栅，其设置于所述第一光导板，所述第二光导部包括(b-Ι)第二光导板，其用于在其内部以全反射的方式传播入射光并且然后射出所述光， (b-2)第一偏转部，共设置于所述第二光导板，用于偏转入射到所述第二光导板的光， 从而使入射到所述第二光导板的光在所述第二光导板的内部被完全地反射，和(b-3)第二偏转部，其设置于所述第二光导板中，用于以全反射的方式多次偏转在所述 第二光导板的内部传播的光，以通过全反射的方式将在所述第二光导板的内部传播的光从 所述第二光导板射出。
31.一种光学装置，其包括光导部，构造成用以接收、传导和射出光束， 所述光导部包括光导板，用于以全反射的方式在其内部传播所述入射光并且从其中射出所述光 第一偏转部，其设置于所述光导板，用于偏转入射到所述光导板的光，从而入射到所述 光导板的光在所述光导板的内部被完全地反射，和第二偏转部，其设置于所述光导板，用于以全反射的方式多次偏转在所述光导板的内部传播的光，以通过全反射的方式将在所述光导板的内部传播的光从所述光导板射出， 所述光学装置还包括光束扩展部，其中所述光束进入所述光导板的方向和所述光在所述光导内部的传播方 向分别被定义为X方向和Y方向，所述光束扩展部沿Z方向扩展所述光束并且将所扩展的 光射向所述光导部。
全文摘要
本发明涉及一种图像显示装置，其包括图像生成装置；第一光导部；和第二光导部。第一光导部包括第一光导板，其在内部以全反射的方式传播一部分入射光并射出所传播的光；和反射型体积全息照相衍射光栅，其被设置于第一光导板上。第二光导部包括第二光导板、第一偏转部；和第二偏转部。
文档编号G02B27/00GK101963703SQ20101023714
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年7月22日
发明者相木一磨, 阿久津克之 申请人:索尼公司