图像显示设备

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。

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，光学上延伸通过图像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所述光学基线与所述导光板的入射面交叉处的所述导光板的法线。

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像形成装置的中心。

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，所述偏振光束分光器反射自所述光源射出的部分光并引导所述部分光到所述液晶显示器，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。

6.一种图像显示设备，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；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，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光板的入射面的法线成倾斜角，所述准直光学系统的光轴光学上延伸通过所述图像形成装置的中心。

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被反射的一部分。

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。

9.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。

10.根据权利要求9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，所述偏振光束分光器反射自所述光源射出的部分光并引导这部分光到所述液晶显示器，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。

说明书

图像显示设备

[0001] 相关申请的交叉参考

[0002] 本发明包含于2007年11月29日向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-309045的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

[0003] 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

[0004] 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请公开第2006-162767号中所披露。

[0005] 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，使从图像形成装置411的像素中发射出的光准直的准直(collimating)光学系统412，以及接收经准直光学系统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包括在其内部按全反射方式传播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

[0006] 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像形成装置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垂直地射入导光板21，即，自图像形成装置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。 虽然在导光板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)，并可以被反馈给准直光学系统412然后到图像形成装置411。

[0007] 假设在图12中示出的图像形成装置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。如果显示在图像形成装置411的右半部上的图像被导光板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％。

[0008] 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。

[0009] 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：

[0010] (A)图像形成装置，具有以二维矩阵方式配置的多个像素；

[0011] (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[0012] (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：

[0013] (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；

[0014] (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板内被全反射；以及

[0015] (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。

[0016] 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θ1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θ2角入射到导光板时，满足条件θ2>θ1。

[0017] 此外，光学上延伸通过图像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、并入射到导光板的光被导光板以远离图像形成装置的方向而反射。

[0018] 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。

[0019] 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被反射的一部分。

[0020] 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，导光板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像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。

[0021] 在根据本发明第一实施例的图像显示设备中，同样可以认为Yi轴或平行于Yi轴的轴与近端像素光线或远端像素光线之间形成的角是锐角，或者也可以认为Yi轴或平行于Yi轴的轴与远端像素光线或近端像素光线之间形成的角是钝角。 另一方面，在根据本发明第二实施例的图像显示设备中，同样可以认为中心光线光学上平行于或光学上不平行于XiYi平面但与XiZi平面呈锐角或钝角相交。 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。

[0022] 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轴的轴离图像形成装置的中心最远的像素射出并且经过准直光学系统的前节点的光线以θ1角入射到准直光学系统。

[0023] 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。

[0024] 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；以及包括诸如有机电致发光(EL)元件、无机EL元件和发光二极管(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振光束分光器，偏振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：320×240、432×240、640×480、1024×768和1920×1080。

[0025] 在本发明的图像显示设备中，使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入射到导光板上。 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光学部件反射并从光导板输出之后仍保持光学波前信息是十分重要的。 具体地，在不同方向上传播的多条定向光线可以通过以离对应于准直光学系统的焦距的准直光学系统的距离来设置图像形成装置而生成。 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内全反射。 第二光学部件同样反射或衍射导光板内按全反射方式传播的定向光线并使这些定向光线自导光板射出。

[0026] 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，当导光板上有光射出的表面被称为出射面时，第一表面可以包括入射面和出射面两者。 作为选择，第一表面可以包括入射面而第二表面可以包括出射面。

[0027] 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被固定在导光板的第一和/或第二表面。

[0028] 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。

[0029] 只要光学系统通常具有正的光功率，包括在本发明的图像显示设备中的准直光学系统可以是任一包括凸透镜、凹透镜、自由曲面棱镜和全息透镜的单个或组合的光学系统。

[0030] 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，可以降低生产成本。

[0031] 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。

[0032] (图像形成装置A)

[0033] 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：

[0034] (α)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；

[0035] (β)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；

[0036] (γ)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

[0037] (δ)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，如在下述的其他图像形成装置中一样)，[0038] 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。

[0039] (图像形成装置B)

[0040] 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：

[0041] (α)第一图像形成单元，包括第一发光面板，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)；

[0042] (β)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)；

[0043] (γ)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

[0044] (δ)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像。

[0045] (图像形成装置C)

[0046] 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：

[0047] (α)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板；

[0048] (β)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板；

[0049] (γ)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板；

[0050] (δ)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路传播的光的装置；以及

[0051] (ε)光透射控制器(光阀)，用于控制是否允许自沿单一光路汇聚光的装置射出的光的透射，

[0052] 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。

[0053] (图像形成装置D)

[0054] 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像。

[0055] 在根据本发明第一实施例的图像显示设备中，满足条件θ2>θ1，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、并且入射到导光板的光被导光板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。

附图说明

[0056] 图1是实例1的图像显示设备的概念图；

[0057] 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；

[0058] 图3是实例2的图像显示设备的概念图；

[0059] 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；

[0060] 图5是实例3的图像显示设备的概念图；

[0061] 图6是实例3的图像显示设备的变形的概念图；

[0062] 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概念图；

[0063] 图8是示出了示例性图像形成装置的变形的概念图；

[0064] 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；

[0065] 图10是示出了示例性图像形成装置的另一个变形的概念图；

[0066] 图11是现有技术的图像显示设备的概念图；以及

[0067] 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。

具体实施方式

[0068] 现在将参考附图基于确定实例来描述本发明的实施例。

[0069] 实例1

[0070] 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：

[0071] (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；

[0072] (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[0073] (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包括下列元件：

[0074] (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；

[0075] (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

[0076] (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(图像观测者)的瞳孔13(瞳孔位置)。

[0077] 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TiO2作为高电容率材料以及SiO2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。

[0078] 第一光学部件30可以以下列方式得到：作为第一光学部件30底座的导光板21的部分24被切割成具有在其上设置第一光学部件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的导光板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。

[0079] 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具有与现有技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偏振(p-polarized)成分输出到其系统外部，同时偏振光束分光器52反射s偏振成分。 反射的s偏振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，在从液晶显示器51输出后入射到偏振光束分光器52的光之中，p偏振成分透射通过偏振光束分光器52并被引导向准直光学系统12，而s偏振成分被偏振光束分光器52反射并且被反馈给光源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，J×K＝320×240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11(更具体地，液晶显示器51)是定位于距准直光学系统12一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。

[0080] 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)。 Xi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彼此相对放置。 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。 也可以使用另一种结构。 例如，将第二表面23用作入射面，而将第一表面22用作出射面。

[0081] 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、并入射到导光板21的光的行为。 在实例1的图像显示设备10中，参考图2A和图
2B，自位于离图像形成装置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θ1角入射到准直光学系统12，而当自位于图像形成装置11的中心的像素射出并经过准直光学系统12的前节点的光线(中心光线CL)以θ2角入射到导光板21。这里，满足条件θ2>θ1。 在实例1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θ1角入射到准直光学系统12，而自位于图像形成装置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θ2角入射到导光板21。 可以使用这些θ1和θ2角的其他定义(设置)。 此外，在实例1的图像显示设备10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的中心最远的像素射出、经过准直光学系统12、并入射到导光板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θ2＝θ1的情况，而图2B示出了θ2>θ1的情况。 此外，在实例1的图像显示设备10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，自图像形成装置11的每一个像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板21的入射面(第一表面22)处在部分定向光线不入射在图像形成装置11上的方向上被反射的一部分。

[0082] 具体地，在实例1中进行下列设置：

[0083] θ1＝8度

[0084] θ2＝10度

[0085] 在实例1的图像显示设备10中，在近端像素光线LtPX和Yi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11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-(θ2+θ1)]度表示。 中心光线CL光学上平行于XiYi平面并与XiZi平面相交呈θ2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，近端像素光线LtPX、中心光线CL和下述的远端像素光线LtFH包含在XiYi面内。 然而在另一情况下，近端像素光线LtPX、中心光学CL和远端像素光线LtFH不会包含在XiYi面内。在后面的情况中，θ1和θ2角可以被视为立体角。

[0086] 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。 也可以使用另一种结构。 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像形成装置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的光轴传播的光可以从准直光学系统12直接或经由其他光学系统入射到导光板21上。

[0087] 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像显示设备。 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个图像显示设备均可以显示相同的图像或者可以显示不同的图像(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。

[0088] 以定向光线形式进入导光板21并且入射到第一光学部件30的光被第一光线部件30反射并且在导光板21内部按全反射方式传播。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，导光板21上近端像素光线LtPX的入射角(θPX)大于导光板21上远端像素光线LtFH的入射角(θFH)。
远端像素光线LtFH表示这样的光线，该光线自位于离图像形成装置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Yi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，在导光板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值之间。

[0089] 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射出的光到达观测者的瞳孔13，从而该光能够作为图像被识出。此外，使用这种结构，可以减少导光板21的厚度。

[0090] 在实例1的图像显示设备10中，满足条件θ2>θ1，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θ2角。 此外，自图像形成装置11的每一个像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行于导光板入射面(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，远端像素光线LtFH)，也在导光板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11上没有形成幻象。 因此，可以提高图像对比度，并且可以在图像形成装置11上显示高质量图像。

[0091] 实例2

[0092] 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θ2>θ1。 作为参考，图4A示出θ2＝θ1的情况，图4B示出θ2>θ1的情况。 设置实例2中的θ1和θ2角为与实例1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+(θ2-θ1)]度表示。 中心光线CL光学上平行于XiYi平面而与XiZi平面成θ2角相交。 即，中心光线CL从远离第二光学部件40的一侧以钝角入射到导光板21。

[0093] 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1的图像显示装置10相同的方式配置。 因此，将省略图像形成装置110的详细描述。

[0094] 同样在实例2的图像显示设备110中，满足条件θ2>θ1，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θ2角。 此外，自图像形成装置11的每一个像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行于导光板入射面(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，近端像素光线LtPX)，也在导光板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，并且高质量图像可以在图像形成装置11上显示。

[0095] 实例3

[0096] 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XiYi平面而与XiZi平面成锐角或钝角相交。具体地，实例3中的θ1和θ2角被设置为与实例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。

[0097] 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。

[0098] 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。

[0099] 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。图像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/非发射状态并使观测者直接观测发光元件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并入射到导光板21上。

[0100] 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：

[0101] (α)具有发射红光并以二维矩阵方式配置的红色发光元件301R的红色发光面板311R；

[0102] (β)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；

[0103] (γ)具有发射蓝光并以二维矩阵方式配置的蓝色发光元件301B的蓝色发光面板311B；以及

[0104] (δ)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。

[0105] 图9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射出的光通过光透射控制器304R、304G和304B控制，光从所述光透射控制器透射通过或被阻断。 透射通过光透射控制器304R、304G和304B的光进入二向棱镜303，汇聚为沿单一光路传播的光，透射通过准直光学系统12或212，并入射到导光板21。

[0106] 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被阻断。
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，并入射到导光板
21。

[0107] 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价物的范围以内。