[发明专利]导光板及图像显示装置

说明书

本发明在具有衍射光栅的导光板(图像显示元件)和使用了该导光板的图像显示装置中，提高用户识别的映像的亮度，提高视觉确认性。导光板具有：入射衍射光栅，其使射入的映像光衍射；射出衍射光栅，其射出映像光；以及中间衍射光栅，其处于从入射衍射光栅至射出衍射光栅的光路中。就该导光板而言，作为入射衍射光栅形成有周期性的直线状的凹凸图案，在规定了经过映像光入射入射衍射光栅的入射点且平行于凹凸图案的周期方向的假想线时，中间衍射光栅在假想线的一方侧具有第一区域，在假想线的另一方侧具有第二区域，映像光的至少一部分在第一区域和第二区域至少各进行一次反射。

技术领域

本发明涉及组合了导光板和衍射元件的小型、轻量且能够进行增强现实的显示的导光板及图像显示装置。

背景技术

在增强现实的图像显示装置中，用户不仅能够观看投影的映像，还能同时观看周围。投影出的映像可以与用户感知的现实世界重叠。作为这些显示器的其它用途，可以列举视频游戏及眼镜这样的可穿戴设备等。用户通过佩戴半透明的导光板和投影仪成为一体的眼镜或护目镜状的图像显示装置，能够与现实世界重叠地视觉确认从投影仪供给的图像。

这样的图像显示装置记载于“专利文献1”～“专利文献3”。这些专利文献中，导光板由形成于玻璃制的基板的多个凹凸形状的衍射光栅(称为光栅) 构成。从投影仪射出的光线通过入射用的衍射光栅与导光板结合而全反射，并且在导光板内部传播。光线进一步地通过其它衍射光栅变换成复制的多个光线，并且在导光板内全反射传播，最终从导光板射出。射出的光线的一部分经由用户的瞳孔在视网膜成像，作为与现实世界的图像重叠的增强现实图像而被识别。

在使用这样的凹凸型衍射光栅的导光板中，就从投影仪射出的光线的波向量K而言，根据导光板中折射的斯涅尔定律，波向量为K0。进一步地，通过入射用的衍射光栅，变换成在导光板内部可以全反射传播的波向量K1。通过设于导光板的另一个或多个衍射光栅，受到衍射作用，如K2、K3、…那样，每次反复衍射，波向量都变化。若将最终射出导光板的光线的波向量设为K’，则|K’|＝|K|，投影仪隔着导光板位于与眼睛相反的一侧的情况下，K’＝K。另一方面，在投影仪隔着导光板位于与眼睛相同的一侧的情况下，关于波向量，导光板为与反射镜相同的作用，若将导光板的法向量设为z方向，对波向量的 x、y、z成分进行比较，则能够表达为Kx’＝Kx，Ky’＝Ky，Kz’＝－Kz。

导光板的功能是，将从投影仪射出的光线一边复制成多个，一边引导，使射出的多个光线作为与原来的图像等价的图像信息被用户识别。此时，复制出的光线组具有与从投影仪射出的具有映像信息的光线等价的波向量，并且在空间上扩展。复制出的光线组中的一部分进入瞳孔，与外界的信息一起在视网膜成像，从而被视觉确认，能够对用户提供添加了外界的信息的增强现实的信息。

具有映像信息的光线根据其波长不同而波向量的大小不同。凹凸型衍射光栅具有恒定的波向量，因此，根据入射的光线的波长的不同，衍射出的波向量 K1不同，以不同的角度在导光板内传播。构成导光板的玻璃基板的折射率相对于波长大致恒等，一边全反射一边导光的条件的范围根据入射的光线的波长的不同而不同。因此，为了使用户识别宽视角的图像，需要对每个波长堆放多个不同的导光板。一般而言，导光板的数量认为与R、G、B分别对应的三张，或者它们±1张的两张至四张左右较为合适。

“专利文献1”记载的图像显示装置是用于在二维内扩大输入光的图像显示装置，其具备三个直线状衍射光栅。一个是入射用的衍射光栅，另外两个衍射光栅代表性地以与导光板的表面和背面互相重叠的方式配置，实现复制用和射出用的衍射光栅的功能。

“专利文献2”、“专利文献3”记载的图像显示装置中，兼顾入射衍射光栅、偏转用衍射光栅、以及射出衍射光栅的三个衍射光栅在导光板内领域不重叠地配置。“专利文献2”中，为了提高入射衍射光栅的衍射效率，公开了进行了悬垂的形状的衍射光栅。