光束扩展设备、图像显示设备和光学设备制造技术

本发明专利技术公开了光束扩展设备、图像显示设备和光学设备。一种图像显示设备，包括：图像生成设备，光导单元，以及光束扩展设备。该光导单元包括导光板，第一偏转器，以及第二偏转器。当入射到导光板上的光的入射方向被定义为X方向并且导光板中的光的传播方向被定义为Y方向时，光束扩展设备沿着Z方向扩展从图像生成设备入射的光束，并且，将光束输出到光导单元。光束扩展设备由第一反射镜和第二反射镜组成，来自图像生成设备的光入射到第一反射镜上，来自第一反射镜的光入射到第二反射镜上，并且，第二反射镜将光输出到光导单元。

【技术实现步骤摘要】
光束扩展设备、图像显示设备和光学设备
本中请涉及光束扩展设备、结合了光束扩展设备的光学设备，以及结合了光学设备的图像显示设备。
技术介绍
例如从JP-T-2005-521099和日本专利早期公开No.2006-162767中已知一种虚拟图像显示设备(图像显示设备)，用于使观看者将图像形成设备所形成的二维图像看作是由虚拟图像光学系统放大后的虚拟图像。如图37的示意图中所示，该图像显示设备100包括图像形成设备1011(该图像形成设备1011具有以二维矩阵方式布置的多个像素)，准直光系统(collimatingopticalsystem)1012(其将从图像形成设备1011的像素输出的光变为准直光)以及光导单元1030(由准直光系统1012变为准直光的光是其入射光)。入射光被光导单元1030引导并输出。光导单元1030包括导光板1031。入射光通过全反射在导光板1031内传播并随后从其中输出。光导单元1030还包括第一偏转器(deflector)1040(例如由光反射膜的一层形成)，第一偏转器以如下方式反射入射到导光板1031上的光：入射到导光板1031上的光可在导光板1031内部全反射。光导单元1030还包括第二偏转器1050(例如由具有多层堆栈结构的光反射多层膜形成)，第二偏转器使在导光板1031内部通过全反射传播的光从导光板1031输出。例如，如果由这种图像显示设备1000来配置头戴显示器(HMD)，则可获得设备的重量和大小的减小。另外，从例如日本专利早期公开No.2007-094175和日本专利早期公开No.2007-012530已知一种虚拟图像显示设备(图像显示设备)，其利用全息衍射光栅(hologramdiffractiongrating)以导致观看者将由图像形成设备所形成的二维图像看作是虚拟图像光学系统的放大后的虚拟图像。如图38和图39的示意图中所示，该图像显示设备1100基本上包括显示图像的图像形成设备1111、准直光系统1112，以及虚拟图像光学系统(光导单元1030)，显示在图像形成设备1111上的光入射到虚拟图像光学系统上。光导单元1130将入射光引导至观看者的瞳孔41。光导单元1130包括导光板1131和第一衍射光栅部1140和第二衍射光栅部1150，其由导光板1131上所设置的反射式体全息衍射光栅所形成。从图像形成设备1111的各个像素所输出的光入射到准直光系统1112上，准直光由准直光系统1112生成以入射到导光板1131上。准直光入射到导光板1131的第一表面1132上并从其中输出。第一衍射光栅部1140和第二衍射光栅部1150被附接到导光板1131的第二表面1133上，该表面平行于导光板1131的第一表面1132。
技术实现思路
在图38所示的XY平面中，从图像形成设备1111所输出的图像显示光被准直光系统1112变为准直光通量群组(fluxgroup)，在该群组中，视角(即，从图像形成设备1111的各个像素所输出的光的出射角)彼此不同。该准直光通量群组被变为光通量群组，在该群组中，视角在垂直于XY平面的XZ平面中彼此不同，该群组入射到导光板1131上。在图38中，XY平面中的各个准直光通量由准直光通量r1(由实线表示)、r2(由点划线表示)和r3(由虚线表示)示出。在图39中，XZ平面中的代表性准直光通量由准直光群组R1(由实线表示)、R2(由点划线表示)和R3(由虚线表示)所示出。在图中所示的图像显示设备1100中，左右(水平)方向被定义为Y方向，而上下(垂直)方向被定义为Z方向。即，用以显示视频、各种信息等的图像显示光被从侧面引导至观看者的瞳孔41，以入射到瞳孔41上。在将图像显示设备1100应用到头戴显示器(HMD)的情形中，通过不将图像形成设备等布置在瞳孔41以上而是以此方式将其布置在其侧面，能够有利于对外部世界的观看。同时，在这种配置中，在导光板1131内部所引导的光的传播距离相对较长，因此引发了如下问题。在上述配置中，从导光板1131的第一表面1132所入射的图像显示光入射到第一衍射光栅部1140上，该第一衍射光栅部1140由布置在第一表面1132的相对位置处的第二表面1133上的反射式体全息衍射光栅形成。假定该反射式体全息衍射光栅在全息表面上具有均匀的干涉图案间距(pitch)。在经过第一衍射光栅部1140的衍射反射的光中，对于XY平面的X方向分量，通过在第一表面1132和第二表面之间的反复全反射，光通量r1、r2和r3作为准直光通量在导光板1131内被引导，并且在Y方向上向第二衍射光栅部1150传播，该第二衍射光栅部1150由设置在导光板1131的另一端处的反射式体全息衍射光栅所形成。导光板1131很薄，并且如上所述，光程(光沿着其在导光板1131中传播)较长。因此，如图38中所示，取决于水平视角，光到达第二衍射光栅部1150为止的全反射次数是不同的。因此，在入射到导光板1131上的准直光r1、r2和r3之中，朝向第二衍射光栅部1150倾斜地入射(即，水平视角是正的)的准直光r3具有比准直光r1更少的反射次数，该准直光r1以与准直光r3相反的方向上的角度(即，水平视角是负的)入射到导光板1131上。即，由于第一衍射光栅部1140的全息表面的干涉图案间距是相等间隔，因此，在准直光r3(其水平视角是正的)中，由第一衍射光栅部1140衍射反射的出射角比准直光r1(其水平视角是负的)更大。然后，由于衍射反射，具有相应的视角并入射到第二衍射光栅部1150上的准直光偏离全反射状态，以从导光板1131输出并入射到观看者的瞳孔41上。如前所述，在准直光通量的传播方向上，取决于水平视角，在导光板1131中的反射次数是不同的。即，光程长度不同。但是，由于所有传播光通量都是准直光通量，因此，光通量群组以所谓的交叉(folded)的方式传播。在该光通量群组中，当在日本专利早期公开No.2007-012530的图14中所示的配置中执行反向光线追迹时，显然存在下述光通量：它在跨接(straddling)第一衍射光栅部1140和第二表面1133的边缘部分的位置处反射回去。如果执行反向光线追迹，则该光通量的一部分(即，第二表面1133所反射的部分)重复反射以在第一衍射光栅部1140的不同位置处衍射并到达准直光系统1112。在另一方面，剩余的光通量在第一衍射光栅部1140的端部处衍射，以直接到达准直光系统1112。即，虽然该光通量是从相同像素输出并具有相同视角的准直光通量，但是存在下述光通量：其在第一衍射光栅部1140的不同部分处经过衍射反射并在导光板1131中组合之后传播。从以上可见，在这种光学系统中的Y方向上的必要光通量的宽度(即，Y方向上的孔径光阑宽度)由光通量发生交叉处的端点确定。在导光板1131中，第一衍射光栅部1140的位置是Y方向上的孔径光阑位置，该第一衍射光栅部1140对从准直光系统1112输出并入射到导光板1131上的准直光通量群组进行衍射反射。在XZ平面上具有不同视角的入射光R1、R2和R3以如下方式达到出射部分：X方向分量在导光板1131中重复反射，但Z方向分量不反射。即，从准直光系统1112输出的光在XZ平面中会聚之后从第一表面1132入射，并在导光板1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像显示设备，包括：图像生成设备；光导单元，来自所述图像生成设备的光入射到所述光导单元上，所述光导单元导引光并将光输出到观看者的瞳孔，所述光导单元包括：导光板，入射光在通过全反射在所述导光板内传播之后被从所述导光板输出，第一偏转器，所述第一偏转器被布置在所述导光板中或所述导光板上，并以使入射到所述导光板上的光在所述导光板内全反射的方式使入射到所述导光板上的光偏转，以及第二偏转器，所述第二偏转器被布置在所述导光板中或所述导光板上，并使通过全反射而在所述导光板内传播的光多次偏转，以使通过全反射而在所述导光板内传播的光从所述导光板输出；以及光束扩展设备，当入射到所述导光板上的光的入射方向被定义为X方向并且光在所述导光板中的传播方向被定义为Y方向时，所述光束扩展设备被配置为沿着Z方向扩展从所述图像生成设备入射的光束，并将所述光束输出到所述光导单元，其中，所述光束扩展设备由第一反射镜和第二反射镜组成，来自所述图像生成设备的光入射到所述第一反射镜上，来自所述第一反射镜的光入射到所述第二反射镜上，并且所述第二反射镜将光输出到所述光导单元，所述第一反射镜的光反射表面由交替连续地并列的第1A个斜面和第1B个斜面组成，并且断面形状是锯齿形状，所述第二反射镜的光反射表面由交替连续地并列的第2A个斜面和第2B个斜面组成，并且断面形状是锯齿形状，第1A个斜面的顶边和底边彼此平行并沿着所述Z方向延伸，由第1A个斜面的底部和第1B个斜面的底部所形成的角度是90度，第2A个斜面的顶边和底边彼此平行并沿着所述Y方向延伸，并且由第2A个斜面的底部和第2B个斜面的底部所形成的角度是90度。...

【技术特征摘要】
2011.11.22 JP 2011-2548531.一种图像显示设备，包括：图像生成设备；光导单元，来自所述图像生成设备的光入射到所述光导单元上，所述光导单元导引光并将光输出到观看者的瞳孔，所述光导单元包括：导光板，入射光在通过全反射在所述导光板内传播之后被从所述导光板输出，第一偏转器，所述第一偏转器被布置在所述导光板中或所述导光板上，并以使入射到所述导光板上的光在所述导光板内全反射的方式使入射到所述导光板上的光偏转，以及第二偏转器，所述第二偏转器被布置在所述导光板中或所述导光板上，并使通过全反射而在所述导光板内传播的光多次偏转，以使通过全反射而在所述导光板内传播的光从所述导光板输出；以及光束扩展设备，当入射到所述导光板上的光的入射方向被定义为X方向并且光在所述导光板中的传播方向被定义为Y方向时，所述光束扩展设备被配置为沿着Z方向扩展从所述图像生成设备入射的光束，并将所述光束输出到所述光导单元，其中，所述光束扩展设备由第一反射镜和第二反射镜组成，来自所述图像生成设备的光入射到所述第一反射镜上，来自所述第一反射镜的光入射到所述第二反射镜上，并且所述第二反射镜将光输出到所述光导单元，所述第一反射镜的光反射表面由交替连续地并列的第1A个斜面和第1B个斜面组成，并且断面形状是锯齿形状，所述第二反射镜的光反射表面由交替连续地并列的第2A个斜面和第2B个斜面组成，并且断面形状是锯齿形状，第1A个斜面的顶边和底边彼此平行并沿着所述Z方向延伸，由第1A个斜面的底部和第1B个斜面的底部所形成的角度是90度，第2A个斜面的顶边和底边彼此平行并沿着所述Y方向延伸，并且由第2A个斜面的底部和第2B个斜面的底部所形成的角度是90度。2.根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，至少一个平面反射部被设置在所述图像生成设备和所述第一反射镜之间，至少一个平面反射部被设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，并且设置在所述图像生成设备和所述第一反射镜之间的一个平面反射部还用作设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的一个平面反射部。3.根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，当被投影到第1A个虚拟平面上时，从所述图像生成设备入射到所述第一反射镜的光的轨迹和从所述第一反射镜输出的光的轨迹彼此平行，所述第1A个虚拟平面是与所述Z方向垂直的虚拟平面，当被投影到第1B个虚拟平面上时，从所述图像生成设备入射到所述第一反射镜的光的轨迹和从所述第一反射镜输出的光的轨迹关于所述第1A个虚拟平面彼此对称，所述第1B个虚拟平面是与所述第一反射镜的法线垂直的虚拟平面，当被投影到第2A个虚拟平面上时，从所述第一反射镜入射到所述第二反射镜的光的轨迹和从所述第二反射镜输出的光的轨迹彼此平行，所述第2A个虚拟平面是与所述Y方向垂直的虚拟平面，并且当被投影到第2B个虚拟平面上时，从所述第一反射镜入射到所述第二反射镜上的光的轨迹和从所述第二反射镜输出的光的轨迹关于所述第2A个虚拟平面彼此对称，所述第2B个虚拟平面是与所述第二反射镜的法线垂直的虚拟平面。4.根据权利要求3所述的图像显示设备，其中，从所述图像生成设备的中心输出并入射到所述第一反射镜上的光的光程长度等于下述光的光程长度：该光最初从所述图像生成设备的中心输出并从所述第一反射镜输出，并入射到所述第二反射镜上以从所述第二反射镜输出并入射到所述光导单元上。5.根据权利要求4所述的图像显示设备，其中，从所述图像生成设备输出的光束沿着所述Y方向的大小等于入射到所述光导单元上的光束沿所述Y方向的大小。6.根据权利要求3所述的图像显示设备，其中，入射到所述光导单元上的光束沿所述Z方向的大小大于从所述图像生成设备输出的光束沿所述Z方向的大小。7.根据权利要求6所述的图像显示设备，其中，从所述光导单元输出的光束沿所述Z方向的大小等于从所述图像生成设备输出的光束沿所述Z方向的大小。8.根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述图像生成设备包括：图像形成设备，所述图像形成设备具有以二维矩阵方式布置的多个像素，以及准直光系统，所述准直光系统将从所述图像形成设备的像素输出的光变为准直光，并且，来自所述准直光系统的光入射到所述第一反射镜上。9.根据权利要求1所述的图像显示设备，其中，所述图像生成设备包括：光源；准直光系统，所述准直光系统将从所述光源输出的光变为准直光，扫描单元，所述扫描单元扫描从所述准直光系统输出的准直光，以及中继光系统，所述中继光系统中继由所述扫描单元所扫描的准直光，并且来自所述中继光系统的光入射到所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿久津克之，栗原伸晃，今村铁平，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：