CN101957500B - 图像显示装置、头戴显示器及光束扩展装置 - Google Patents

图像显示装置、头戴显示器及光束扩展装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种图像显示装置，包括光源和扫描器，该扫描器包括：(a)第一反射镜，从该光源发射的该光束入射在该第一反射镜上；(b)第一光偏转器，从该第一反射镜出射的光束入射在第一光偏转器上，并出射平行光，该平行光根据与该第一反射镜的转动相关的该光束的第一入射角而形成第一出射角；(c)第二反射镜，从该第一光偏转器出射的该平行光入射在该第二反射镜上；以及(d)第二光偏转器，从该第二反射镜出射的平行光入射在该第二光偏转器上，并出射平行光，该平行光根据与该第二反射镜的转动相关的该平行光的该第二入射角而形成第二出射角。

Description

图像显示装置、头戴显示器及光束扩展装置
技术领域
本发明涉及图像显示装置、头戴显示器(head-mounted display)和光束扩展装置。
背景技术
例如，由日本专利特表2005-521099和特开2006-162767已知允许观察者观看由图像形成装置形成的二维图像作为虚拟图像光学***的放大虚拟图像的虚拟图像显示装置(图像显示装置)。
如图14的概念图所示，该图像显示装置200包括：图像形成装置201，包括以二维矩阵设置的多个像素；准直光学***202，用于将从图像形成装置201的像素出射的光转换成平行光；以及光学引导***203，其上入射由准直光学***202转换成准直光的光。入射光在光学引导***203中被引导且从其出射。光学引导***203由光导板204、第一偏转器205(例如由一个反光膜形成)和第二偏转器206(例如，由具有多层堆叠结构的反光多层膜形成)组成。入射在光导板204上的光通过全反射在光导板204内传播，然后从其出射。第一偏转器205反射入射在光导板204上的光，从而该光可以在光导板204内全反射。第二偏转器206使得在光导板204内通过全反射传播的光从光导板204出射。例如，如果头戴显示器(HMD)通过采用这样的图像显示装置200形成，则可以实现装置重量和尺寸的减小。
发明内容
在现有技术的图像显示装置200中，图像形成装置201的结构包括设置成二维矩阵的多个像素，并且例如基于硅上液晶(LCOS)由透射或反射液晶显示装置形成。因此，难于减小图像形成装置201的尺寸。此外，因为图像形成装置201和准直光学***202在现有技术的图像显示装置200中是必须的，所以总体上减小图像显示装置的尺寸和重量也是困难的。
本发明的任务是提供易于实现总体上减小图像显示装置的尺寸和重量的图像显示装置、应用该图像显示装置的头戴显示器以及适合应用该图像显示装置的光束扩展装置。
根据本发明的实施例，所提供的图像显示装置包括光源和用于扫描从光源发射的光束的扫描器。该扫描器包括
(a)第一反射镜，构造为可绕作为沿着第一方向延伸的枢轴的第一轴转动，从该光源发射的该光束入射在该第一反射镜上，
(b)第一光偏转器，构造为具有沿着与该第一方向不同的第二方向延伸的轴线，从该第一反射镜出射的光束以第一入射角入射在该第一光偏转器上，该第一光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第一反射镜的转动相关的该光束的该第一入射角而与该第二方向形成预定的第一出射角，
(c)第二反射镜，构造为可绕作为沿着第三方向延伸的枢轴的第二轴转动，从该第一光偏转器出射的该平行光入射在该第二反射镜上，以及
(d)第二光偏转器，构造为具有沿着与该第三方向不同的第四方向延伸的轴线，从该第二反射镜出射的平行光以第二入射角入射在该第二光偏转器上，该第二光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第二反射镜的转动相关的该平行光的该第二入射角与该第四方向形成预定的第二出射角。
根据本发明的另一个实施例，所提供的头戴显示器(HMD)包括
(A)眼镜型框架，构造为佩戴在观察者的头上，以及
(B)图像显示装置，构造为与框架连接。该图像显示装置由上述本发明实施例的图像显示装置形成。
根据本发明的另一个实施例，所提供的光束扩展装置在第二和第四方向上二维地扩展从光源发射的光束，并且出射扩展的光束作为平行光束。该光束扩展装置与上述本发明实施例的图像显示装置中的扫描器具有相同的构造。
本发明实施例的图像显示装置、头戴显示器和光束扩展装置包括第一反射镜、第一光偏转器、第二反射镜和第二光偏转器，并且将从光源发射的光束转换为平行光以出射平行光。因此，图像形成装置自身由例如液晶显示装置形成是不必要的。另外，例如，不需要在扫描器或光束扩展装置内产生二维图像作为中间图像。就是说，成像光学***是不必要的。因此，可以实现光源和扫描器尺寸上的减小以及图像显示器总体尺寸和重量的减小。在本发明实施例的图像显示装置和头戴显示器中，从光源作为光束原始发射且最终从第二光偏转器出射的平行光进入观察者的眼球。然后，平行光穿过眼球中的瞳孔(通常直径为约2至6mm)，并且在视网膜上成像以被感知为一个像素。这是因为从第二光偏转器出射的光是平行光。重复这样的操作多次而实现二维图像的识别。
附图说明
图1A和1B是示范性实施例1的图像显示装置和光束扩展装置的概念图，并且图1C是用于说明入射角和出射角的概念图；
图2A和2B是示意性地示出当图像左下角上的像素成像在观察者观看图像中视网膜的右上侧时光束和平行光状态的示意图；
图3A和3B是示意性地示出当图像右下角上的像素成像在观察者观看图像中视网膜的左上侧时光束和平行光状态的示意图；
图4A和4B是示意性地示出当图像左上角上的像素成像在观察者观看图像中视网膜的右下侧时光束和平行光状态的示意图；
图5A和5B是示意性地示出当图像右上角上的像素成像在观察者观看图像中视网膜的左下侧时光束和平行光状态的示意图；
图6是示出当光束的直径设定到1.0mm，瞳孔直径设定到2mm、3mm、4mm和5mm，并且光束的排列节距设定到光束直径的1.0倍、1.1倍、1.2倍和1.5倍时，基于瞳孔中光强度变化的模拟结果获得的光强度变化率的图，以及示出该模拟中获得的光束的光强度分布的图；
图7是示出当光束的直径设定到1.0mm，瞳孔直径设定到2mm、3mm、4mm和5mm，并且光束的排列节距设定到光束直径的1.0倍、1.1倍、1.2倍和1.5倍时，基于瞳孔中光强度变化的模拟结果获得的光强度变化率的图，以及示出该模拟中获得的光束的光强度分布的图；
图8是示出当光束的直径设定到1.0mm，瞳孔直径设定到2mm、3mm、4mm和5mm，并且光束的排列节距设定到光束直径的1.0倍、1.1倍、1.2倍和1.5倍时，基于瞳孔中光强度变化的模拟结果获得的光强度变化率的图，以及示出该模拟中获得的光束的光强度分布的图；
图9A是示意性地示出当从第一反射镜入射在第一光偏转器上的光束被第一光偏转器的平行光出射表面全反射时状态的示意图，而图9B是示意性地示出当通过与第二光偏转器相对的平行光出射表面相对的表面入射在第二光偏转器上的环境光与光反射/透射膜相撞且从而产生幻影时的状态的示意图；
图10A和10B分别为示范性实施例2和示范性实施例3中第一光偏转器的示意性局部截面图；
图11是当示范性实施例4的头戴显示器从前侧看时获得的示意图；
图12是当示范性实施例4的头戴显示器从上面看时获得的示意图；
图13是示范性实施例1的图像显示装置和光束扩展装置的修改示例的概念图；
图14是现有技术的图像显示装置的概念图；
图15是示出由于光束干扰引起的条斑出现在图像中的状态的示意图；
图16是示出由于光束干扰引起的点斑出现在图像中的状态的示意图；以及
图17A和17B是用于说明能避免由于光束干扰引起的条斑在图像中出现的状态的方法之一的示意图。
具体实施方式
下面，将参考附图基于示范性实施例描述本发明。然而，本发明不限于示范性实施例，并且实施例中的各种数值和材料仅为示例。描述将以下面的顺序进行。
1.有关本发明的图像显示装置、头戴显示器和光束扩展装置总体技术的描述
2.示范性实施例1(图像显示装置和光束扩展装置)
3.示范性实施例2(示范性实施例1的修改)
4.示范性实施例3(示范性实施例1的另一个修改)
5.示范性实施例4(头戴显示器)及其它
[有关本发明实施例的图像显示装置、头戴显示器和光束扩展装置总体技术的描述]
本发明实施例的头戴显示器可以具有下面的构造。
框架由设置在观察者前面的前部、用中间铰链可转动地连接到前部两端的两个镜腿部和连接到镜腿部末端的端部组成。
光源设置在镜腿部或前部的上部。
第一反射镜、第一光偏转器和第二反射镜设置在前部的上部。
第二光偏转器设置为相对于观察者的瞳孔(即设置在相当于普通眼镜框架中的透镜连接位置的位置)。这样的单元设置是用于观察者具有足够好裸眼视力或者使用接触透镜等情况。然而，对于视力由普通眼镜纠正的观察者，也可将第二光偏转器设置在眼镜的透镜的外面。
作为选择，也可采用这样的构造，其中第一反射镜、第一光偏转器、第二反射镜和第二光偏转器设置在前部的上部。
在本发明实施例的图像显示装置中，包括在具有上述优选构造的本发明实施例的头戴显示器和本发明实施例的光束扩展装置中的扫描器(在下文，它们也统称为“本发明实施例的扫描器等”)，能够采用这样的形式，其中，如果从第一光偏转器在远离第一反射镜的方向上出射的平行光的第一出射角θO-1定义为正值出射角，则随着光束到第一光偏转器的第一入射角θI-1的变大，第一出射角θO-1在从负值到正值的方向上变化。此外，在此情况下，能够采用这样的形式，其中，如果从第二光偏转器在远离第二反射镜的方向上出射的平行光的第二出射角θO-2定义为正值出射角，则随着平行光到第二光偏转器的第二入射角θI-2的变大，第二出射角θO-2在从负值到正值的方向上变化。第一入射角θI-1定义为由入射在第一光偏转器上的光束与第二方向形成的角。第一出射角θO-1定义为由第一光偏转器出射的平行光与第一光偏转器的平行光出射表面的法线形成的角。类似地，第二入射角θI-2定义为由入射在第二光偏转器上的平行光与第四方向形成的角。第二出射角θO-2定义为由第二光偏转器出射的平行光与第二光偏转器的平行光出射表面的法线形成的角。此外，由第二方向和在第一光偏转器内传播且朝着第一光偏转器的平行光出射表面行进的光束形成的第一入射角θI-I定义为正值入射角。类似地，由第四方向和在第二光偏转器内传播且朝着第二光偏转器的平行光出射表面行进的平行光形成的第二入射角θI-2定义为正值入射角。
本发明实施例中包括上述优选形式的扫描器等可以具有这样的构造，其中入射在第一光偏转器上的光束由第一光偏转器在第二方向上扩展，并且入射在第二光偏转器上的平行光由第二光偏转器在第四方向上扩展。通过这样的构造，最终获得的平行光导致在第二方向和第四方向上的二维扩散。
此外，本发明实施例的包括上述优选形式和构造的图像显示装置和头戴显示器可以具有下面的构造。具体地讲，由共计P×Q个像素形成图像，P×Q个像素设置为，P个像素沿着第二方向设置，并且Q个像素沿着第四方向设置。另外，第一入射角θI-1根据P个像素沿着第二方向的位置限定，并且第二入射角θI-2根据Q个像素沿着第四方向的位置限定。从光源发射光束一次，最终获得显示图像中的一个像素。因此，为了显示由P×Q个像素组成的图像，需要P×Q次光束发射。第一反射镜和第二反射镜具有将像素位置信息转换成一种角度信息的功能。优选第二方向和第四方向彼此垂直。
在本发明实施例的包括上述优选形式和构造的图像显示装置和头戴显示器中，优选采用这样的构造，其中单位时间内第一反射镜的转动次数(振动频率)大于单位时间内第二反射镜的转动次数(振动频率)。然而，可以采用第二反射镜的转动次数较大的构造。对于第一反射镜和第二反射镜的转动，例如，正弦波信号、矩形波信号或者锯齿波信号输入到为第一反射镜和第二反射镜提供的转动器(pivoter)。用于驱动第一反射镜的信号频率根据沿着第二方向的像素数、第二反射镜的功率负荷(duty)和帧频等决定，并且例如为约几千赫兹至几百千赫兹。用于驱动第二反射镜的信号频率根据帧频等决定，并且例如为15赫兹、30赫兹、60赫兹、120赫兹、180赫兹或240赫兹。例如，如果第一反射镜和第二反射镜通过采用具有可绕一个轴转动的微反射镜的微电子机械***(MEMS)形成，则可以基于谐振执行第一反射镜的高速转动，而可以不基于谐振执行第二反射镜的低速转动。
而且，在本发明实施例的包括上述优选形式和构造的图像显示装置和头戴显示器中，能够采用这样的形式，其中第一方向和第四方向彼此一致(彼此平行)，而第二方向和第三方向彼此一致(彼此平行)，并且第一方向和第四方向垂直于第二方向和第三方向。此外，在此情况下，能够采用这样的形式，其中从第二光偏转器的观点看图像观看位置设置在第五方向上，并且第五方向垂直于第一方向和第四方向且垂直于第二方向和第三方向。然而，各方向不必须是平行和垂直关系。
本发明实施例的包括上述形式和构造的图像显示装置、头戴显示器和光束扩展装置可以具有这样的构造，其中多个半透射反射镜(半反射镜)提供在第一光偏转器内，并且多个半透射反射镜(半反射镜)提供在第二光偏转器内。然而，它们不限于此，而是可以提供偏振分束器来代替半透射反射镜。半透射反射镜可以采用由包含合金的金属组成的金属膜形成，或者它可以采用通过堆叠大量电介质堆叠膜获得的多层堆叠结构形成。电介质堆叠膜例如由作为高介电常数材料的TiO2膜和作为低介电常数材料的SiO2膜形成。在下文，为了方便起见，反射部分光而允许其余部分光透射(通过)的金属膜、多层堆叠结构和偏振分束器等统称为“光反射/透射膜”。光反射/透射膜可以根据所采用的材料通过包括真空蒸发法和溅射法的物理气相沉积(PVD)法以及各种化学气相沉积(CVD)法的任何种类的方法形成。
大量的光反射/透射膜形成在第一光偏转器和第二光偏转器内。所希望的是，光反射/透射膜在第一光偏转器或第二光偏转器中的光反射率(lightreflectance)在垂直入射时为30％以下，优选10％以下，更优选5％以下。大量的光反射/透射膜可以制作为具有相同的光反射率。作为选择，光反射率可以根据光反射/透射膜在第一光偏转器或第二光偏转器内的位置变化。在后一种情况下，具体地讲，第一光偏转器中优选设置在远离第一反射镜位置的光反射/透射膜的光反射率设定较高，并且第二光偏转器中优选在远离第二反射镜位置上设置的光反射/透射膜的光反射率设定较高。换言之，第一光偏转器中优选在远离第一反射镜的位置上设置的光反射/透射膜的光透射率设定较低，并且第二光偏转器中优选在远离第二反射镜的位置上设置的光反射/透射膜的光透射率设定较低。可以利用光反射/透射膜的光透射率对光入射角的依赖性(其关系是，当入射在光反射/透射膜上的光的入射角较大时，光反射率较高)。通过以这样的方式逐渐增加光反射率，由第一光偏转器设置在远离第一反射镜位置上的部分反射的光的强度可以接近于由第一光偏转器设置在接近第一反射镜位置上的部分反射的光的强度。该特征也应用于第二光偏转器。从第一反射镜入射的光束透过(通过)提供在第一光偏转器内的多个光反射/透射膜，且由光反射/透射膜反射，从而该光束转换成平行光，且从第一光偏转器出射。从第二反射镜入射的平行光透过(通过)提供在第二光偏转器内的多个光反射/透射膜，且由光反射/透射膜反射，从而从第二光偏转器出射平行光。在第一光偏转器中光反射/透射膜相对于第二方向的角度在所有的光反射/透射膜中相同，且例如为30度至70度，优选为40度至60度，且更优选为45度至55度。类似地，在第二光偏转器中光反射/透射膜相对于第四方向的角度在所有的光反射/透射膜中相同，且例如为30度至70度，优选为40度至60度，且更优选为45度至55度。光反射/透射膜的排列节距可以是不变的或可以是变化的。优选透视(半透射)光偏转器用作第二光偏转器，从而通过第二光偏转器可以看到外场。作为第一光偏转器尺寸的示例，长度(沿着第二方向的长度)为5mm或更长，高度(沿着第四方向的长度)为0.5mm或更长，并且厚度(沿着第五方向的长度)为0.5mm或更长。作为第二光偏转器尺寸的示例，长度(沿着第二方向的长度)为5mm或更长，高度(沿着第四方向的长度)为5mm或更长，并且厚度(沿着第五方向的长度)为0.5mm或更长。
如果在由提供在第一光偏转器或第二光偏转器内的半透射反射镜或光反射/透射膜(在下文，它们将简单地统称为“半透射反射镜等”)反射多次后从第一光偏转器或第二光偏转器出射的光束(为了方便起见，该光束将称为“分光束”)的光强度很高，相对于被反射一次后从第一光偏转器或第二光偏转器出射的光束(为了方便起见，该光束将称为“主光束”)的光强度不可忽略，则在有些情况下(见图15)，则由于主光束和分光束之间的干扰而引起图像中出现条斑(不均匀性)。为了防止这样现象的发生，减少分光束的数量是有效的。为了这样的目的，减少半透射反射镜等的数量或者降低第一光偏转器的厚度(当第一光偏转器沿着垂直于第二方向的虚拟平面切开时，第一光偏转器的厚度)或者第二光偏转器的厚度(当第二光偏转器沿着垂直于第四方向的虚拟平面切开时，第二光偏转器的厚度)是有效的。如图17A和17B的示意图所示，如果降低光偏转器的厚度，则可减少分光束的数量。为了图的简化，图17A和17B中仅示出一个光束。然而，这样的对策在第一光偏转器或第二光偏转器的设计中通常有困难。
因此，为了抑制这样现象的发生，如果光源发光光谱的峰值波长定义为λ，并且光谱半高宽(half-value width)定义为Δλ，则优选提供在第一光偏转器内的多个半透射反射镜(或光反射/透射膜)沿着第二方向的节距的变化b1满足下面的公式。
b1≥λ2/(3πΔλ)
在此情况下，所希望的是，提供在第一光偏转器内的半透射反射镜(或光反射/透射膜)的光反射率在垂直入射时为10％以下，优选5％以下。
此外，如果多个半透射反射镜(或光反射/透射膜)提供在本发明实施例的包括上述优选第一光偏转器构造的图像显示装置、头戴显示器或光束扩展装置中的第二光偏转器内，则当光源发光光谱的峰值波长定义为λ，并且光谱半高宽定义为Δλ时，优选提供在第二光偏转器内的多个半透射反射镜(或光反射/透射膜)沿着第四方向的节距的变化b2满足下面的公式。
b2≥λ2/(3πΔλ)
在此情况下，所希望的是，提供在第二光偏转器内的半透射反射镜(或光反射/透射膜)的光反射率在垂直入射时为10％以下，优选5％以下。
通过以这样的方式给出多个半透射反射镜等的节距的变化b1和b2，在光束之间产生了光程差。结果，主光束和分光束之间的干扰不容易发生，并且可以抑制图像中条斑的出现。
另外，在第一光偏转器或第二光偏转器内提供半透射反射镜等的情况下，特定的半透射反射镜等反射的光束与例如相邻于该半透射反射镜等的半透射反射镜等反射的光束彼此干扰，并且在某些情况下出现点斑(见图16)。当相邻半透射反射镜等反射的光束彼此重叠时(或者光束的半径充分地大于所提供半透射反射镜等的节距时)，发生这样的现象。
因此，为了抑制这样现象的发生，如果入射在第一光偏转器上的光束直径定义为D1，并且提供在第一光偏转器内的多个半透射反射镜(或光反射/透射膜)沿着第二方向的节距定义为B1，光源发射光谱的峰值波长定义为λ，并且光谱半高宽定义为Δλ，则优选满足下面的公式。
D1＞B1
B1＞λ2/(2πΔλ)
在此情况下，所希望的是，提供在第一光偏转器内的半透射反射镜(或光反射/透射膜)的光反射率在垂直入射时为10％以下，优选5％以下。
此外，如果多个半透射反射镜(或光反射/透射膜)提供在本发明实施例的包括第一光偏转器的上述优选构造的图像显示装置、头戴显示器或光束扩展装置中的第二光偏转器内，当入射在第二光偏转器上的光束直径定义为D2，提供在第二光偏转器内的多个半透射反射镜(或光反射/透射膜)沿着第四方向的节距定义为B2，光源发射光谱的峰值波长定义为λ，并且光谱半高宽定义为Δλ时，优选满足下面的公式。
D2＞B2
B2＞λ2/(2πΔλ)
在此情况下，所希望的是，提供在第二光偏转器内的半透射反射镜(或光反射/透射膜)的光反射率在垂直入射时为10％以下，优选5％以下。
通过以这样的方式限定多个半透射反射镜等的节距B1和B2，特定的半透射反射镜等反射的光束与例如相邻于该半透射反射镜等的半透射反射镜等反射的光束之间的干扰不容易发生。结果，可以抑制图像中点斑的出现。
而且，在本发明实施例的包括上述优选形式和构造的图像显示装置、头戴显示器和光束扩展装置中，优选采用抗反射涂层提供在第一光偏转器的光束入射表面和平行光出射表面上的构造。此外，优选采用抗反射涂层提供在第二光偏转器的平行光入射表面、平行光出射表面和与平行光出射表面相对的表面的每一个上的构造。可以采用抗反射涂层(ARC)由选自下述组中至少一种材料组成的形式，该组例如包括：氧化硅(SiOX)、氧化钽(TaOX)、氧化锆(ZrOX)、氧化铝(AlOX)、氧化铬(CrOX)、氧化钒(VOX)、氧化钛(TiO)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO)、氧化铪(HfOX)、氧化铌(NbOX)、氧化钪(ScOX)、氧化钇(YOX)、氮化硅(SiNY)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化铝(AlN)、氧氮化硅(SiOXNY)、氟化铝(AlFX)、氟化铈(CeFX)、氟化钙(CaFX)、氟化钠(NaFX)、氟化钠铝(NaYAlZFX)、氟化镧(LaFX)、氟化镁(MgFX)、氟化钇(YFX)和硫化锌(ZnSX)。作为选择，根据情况，也可以是抗反射涂层具有通过堆叠至少两层例如SiO、SiO2、TiO2、ZrO2、Ta2O5和Y2O3的电介质薄膜获得的结构(例如由高折射率膜/低折射率膜/高折射率膜/低折射率膜...形成的多层结构)。抗反射涂层根据所采用的材料可以由包括真空蒸发法和溅射法的各种PVD法以及各种CVD法的任何一个形成。
在本发明实施例的包括上述优选形式和构造的图像显示装置和头戴显示器中，优选光源由发光元件形成，具体地讲为半导体激光器元件(LD)、固态激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管(superluminescence diode，SLD)、有机EL发光元件或者无机EL发光元件。此外，当上述任何一种光源引入光纤中时，广义上的光源也包括光纤出射端。优选光源由发红光的发光元件、发绿光的发光元件和发蓝光的发光元件组成，并且包括将从这些发光元件发射的红光束、绿光束和蓝光束合成为一个光束的多路复用器(multiplexer)(颜色合成器)。多路复用器的示例包括二向色棱镜、二向色反射镜、正交棱镜、偏振分束器和半反射镜。将从光源发射的光束转换成平行光束的光束成形器(例如，准直透镜)可以设置在光源和第一反射镜之间。该准直透镜仅允许一个或多个光束通过。因此，作为与现有技术中的准直光学***不同的准直透镜，不必是允许相当于实际图像的光线通过的大透镜。孔径可以提供为形成光束的截面形状，并且防止出现不希望的散射光和杂散光。该孔径设置在光源和第一反射镜之间或者第一反射镜和第一光偏转器之间。孔径形状的示例包括圆形、正方形、矩形、正六角形和正八角形。孔径面积的示例是8×10-5cm2(在圆形的情况下，相当于0.1mm的直径)至0.8cm2(在圆形的情况下，相当于10mm的直径)。从光源发射光束的强度取决于图像应显示的亮度。另外，像素在应显示图像中的位置也可以被考虑以决定从光源发射光束的强度。具体地讲，例如，当第一入射角θI-4和第二入射角θI-2很小时，光束和平行光通过光反射/透射膜的数量增加，因此，可以增加从光源发射光束的强度。
第一反射镜和第二反射镜的示例包括具有可绕一个轴转动的微反射镜、MEMS、电反射镜(galvano mirror)和多角形反射镜。然而，不是必须使用反射镜，而是可以采用任何的扫描器或扫描***，如电光扫描器、声光扫描器、准直透镜的运动或者光源的转动。就是说，可以采用第一扫描器来代替第一反射镜，并且可以采用第二扫描器来代替第二反射镜。
第一光偏转器和第二光偏转器采用对入射光透明的材料制作。形成第一光偏转器和第二光偏转器的材料示例包括玻璃，这里的玻璃包括诸如石英玻璃和BK7的光学玻璃和塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、非晶聚丙烯树脂和包含AS树脂的苯乙烯)。通常的光学玻璃如BK7具有高加工精度和可靠性，因此是优选材料。采用高折射率的材料可以降低第一光偏转器和第二光偏转器的厚度，因此，例如更优选材料的折射率等于或大于1.6。
像素数可以基于图像显示装置的所需的规格决定。像素数的具体示例包括320×240、432×240、640×480、854×480、1024×768、1366×768和1920×1080。
例如，头戴显示器可以采用本发明实施例的图像显示装置形成，并且可以实现装置重量和尺寸上的减小。在头戴显示器中，本发明实施例的图像显示装置的数量可以是一个(单眼的显示器)或者可以是两个(双眼的显示器)
如上所述，框架由设置在观察者前面的前部、用中间铰链可转动地连接到前部两端的两个镜腿部和连接到镜腿部末端的端部组成。此外，框架包括鼻垫。在观看整个头戴显示器时，框架和鼻垫的装配与普通眼镜几乎具有相同的结构。框架可以采用与普通眼镜相同的材料形成，如金属、合金、塑料及这些材料的结合。鼻垫也可以具有已知的构造和结构。
在头戴显示器的设计和头载显示器的佩戴方便方面，优选采用这样的形式，其中从一个或两个图像显示装置的互连(信号线和电源线等)穿过镜腿部和端部的内部，并且从端部的末端延伸到外部，以连接到外部电路(控制电路)。此外，更优选采用这样的形式，其中图像显示装置提供有双耳耳机(headphone)，并且从图像显示装置的双耳耳机互连穿过镜腿部和端部的内部，并且从端部的末端延伸到双耳耳机。双耳耳机的示例包括耳塞耳机(inner-ear headphone)和导管耳机(canal headphone)。更具体地讲，优选采用这样的形式，其中双耳耳机互连从端部的末端经由耳廓(听囊)后侧到双耳耳机。
[示范性实施例1]
示范性实施例1涉及本发明的图像显示装置和本发明的光束扩展装置。图1A和1B是示范性实施例1的图像显示装置和光束扩展装置的概念图。具体地讲，图1A是图像显示装置和光束扩展装置在包括第二方向和第五方向的虚拟平面(XZ平面)中的概念图。图1B是图像显示装置和光束扩展装置沿着图1A中的B-B箭头线在包括第四方向和第五方向的虚拟平面(YZ平面)中的概念图。图1C是用于说明入射角和出射角的概念图。在图1C中，省略了光反射/透射膜的图示。图1A至5B示出了这样的单元设置，光从第一光偏转器30在正Z轴方向上出射，然后从第二反射镜40在正Y轴方向(即向下的方向)上出射。然而，也可以采用这样的单元设置，光从第一光偏转器30在负Z轴方向上出射，然后从第二反射镜40在正Y轴方向(即向下方向)上出射。
示范性实施例1的图像显示装置10包括光源11和用于扫描从光源11发射的光束的扫描器。该扫描器包括
(a)第一反射镜20，可绕作为沿第一方向延伸的枢轴(pivot axis)的第一轴21转动，从光源11发射的光束入射在第一反射镜20上，
(b)第一光偏转器30，具有沿着与第一方向不同的第二方向延伸的轴线(axis line)，从第一反射镜20出射的光束以第一入射角θI-1入射在第一光偏转器30上，第一光偏转器30出射平行光，该平行光根据光束与第一反射镜20转动相关的第一入射角θI-1与第二方向形成预定的第一出射角θO-1，
(c)第二反射镜40，绕作为沿着第三方延伸的枢轴的第二轴41可转动，从第一光偏转器30出射的平行光入射在第二反射镜40上，以及
(d)第二光偏转器50，具有沿着与第三方向不同的第四方向延伸的轴线，从第二反射镜40出射的平行光以第二入射角θI-2入射在第二光偏转器50，第二光偏转器50出射平行光，该平行光根据平行光与第二反射镜40的转动相关的第二入射角θI-2，与第四方向形成预定的第二出射角θO-2。
示范性实施例1的光束扩展装置是这样的装置，其在第二方向和第四方向上二维扩展从光源11发射的光束，并且出射扩展的光束作为平行光。该光束扩展装置与示范性实施例1的图像显示装置10中的扫描器具有相同的构造。
如图1C和2A至5B的概念图所示，当从第一光偏转器30在远离第一反射镜20的方向上出射的平行光的第一出射角θO-1定义为正值出射角时，随着光束到第一光偏转器30的第一入射角θI-1的变大，第一出射角θO-1在从负值到正值的方向上变化。此外，当从第二光偏转器50在远离第二反射镜40的方向上出射的平行光的第二出射角θO-2定义为正值出射角时，随着平行光到第二光偏转器50的第二入射角θI-2的变大，第二出射角θO-2在从负值到正值的方向上变化。
与图1A一样，图2A、图3A、图4A和图5A是图像显示装置和光束扩展装置在包括第二方向和第五方向的虚拟平面(XZ平面)中的概念图。与图1B一样，图2B、图3B、图4B和图5B是图像显示装置和光束扩展装置在包括第四方向和第五方向的虚拟平面(YZ平面)中的概念图。
由共计P×Q个像素形成图像，P×Q个像素设置为，P个像素沿着第二方向设置，并且Q个像素沿着第四方向设置。具体地讲，例如，P为640、Q为480，并且观看的倾斜角为28度。第一入射角θI-1根据P个像素沿着第二方向的位置限定，并且第二入射角θI-2根据Q个像素沿着第四方向的位置限定。从光源11发射一次光束，最终在显示图像中获得一个像素。因此，为了显示由P×Q个像素组成的图像，需要P×Q次光束发射。从第二光偏转器50出射的平行光入射在观察者的眼球上，并且穿过眼球中的瞳孔(通常直径为约2至6mm)。然后，平行光成像在视网膜上，并且识别为一个像素。通过汇集这样的操作(从光源11发射P×Q次光束)，可以识别一帧由P×Q个像素组成的二维图像。
在图2A和2B所示的状态(“状态A”)下，当观察者观看图像时，图像左下角的像素成像在视网膜的右上侧。在图3A和3B所示的状态(“状态B”)下，当观察者观看图像时，图像右下角的像素成像在视网膜的左上侧。在图4A和4B所示的状态(“状态C”)下，当观察者观看图像时，图像左上角的像素成像在视网膜的右下侧。在图5A和5B所示的状态(“状态D”)下，当观察者观看图像时，图像右上角的像素成像在视网膜的左下侧。在这些状态下第一入射角θI-1、第一出射角θO-1、第二入射角θI-2和第二出射角θO-2的值如下面的表1所示。
表1
  状态A   状态B   状态C   状态D
  第一入射角θI-1   最小值   最大值   最小值   最大值
  第一出射角θO-1   最小值   最大值   最小值   最大值
  第二入射角θI-2   最小值   最小值   最大值   最大值
  第二出射角θO-2   最小值   最小值   最大值   最大值
入射在第一光偏转器30上的光束由第一光偏转器30在第二方向上扩展，并且入射在第二光偏转器50上的平行光由第二光偏转器50在第四方向上扩展。因此，最终获得的平行光导致在第二方向和第四方向上的二维扩展。
第一反射镜20和第二反射镜40例如由具有可绕一个轴转动的微反射镜MEMS形成。作为这样基于MEMS的微反射镜，可以采用已知的构造和结构。因此，省略其详细描述。单位时间内第一反射镜20转动的次数(振动频率)大于单位时间内第二反射镜40的转动次数(振动频率)。具体地讲，例如，单位时间内第一反射镜20转动的次数设定到21kHz，并且单位时间内第二反射镜40的转动次数设定到与帧频相同的60Hz。第一反射镜20的高速转动基于谐振实现，并且第二反射镜40的低速转动不是基于谐振实现。作为选择，两个反射镜的转动可以基于谐振驱动进行。因为光束由第一光偏转器30在第二方向上扩展，所以第二反射镜40的面积大于第一反射镜20的面积。具体地讲，例如，第一反射镜20是矩形的，其沿着第一方向的边长为2.0mm，并且其沿着与第一方向垂直的方向的边长为2.8mm。第二反射镜40为矩形的，其沿着第三方向的边长为30mm，并且其沿着与第三方向垂直的方向的边长为2.8mm。
在示范性实施例1中，第一方向和第四方向彼此一致(彼此平行)，并且第二方向和第三方向彼此一致(彼此平行)。另外，第一方向和第四方向垂直于第二方向和第三方向。此外，图像观看位置位于从第二光偏转器50的角度看在第五方向上，并且第五方向垂直于第一方向和第四方向，且垂直于第二方向和第三方向。更具体地讲，第二方向和第三方向定义为X方向，第一方向和第四方向定义为Y方向，并且第五方向定义为Z方向。然而，方向的定义不限于此，而是各方向不需要为平行和垂直关系。
第一光偏转器30和第二光偏转器50采用光学玻璃(BK7，折射率为1.5168[波长587.6nm])制作。例如，作为第一光偏转器30的尺寸，长度(沿着第二方向的长度)为30mm，高度(沿着第四方向的长度)为3.0mm，并且厚度(沿着第五方向的长度)为7.0mm。作为第二光偏转器50的尺寸，长度(沿着第二方向的长度)为30mm，高度(沿着第四方向的长度)为30mm，并且厚度(沿着第五方向的长度)为5.0mm。多个半透射反射镜提供在第一光偏转器30内，并且多个半透射反射镜也提供在第二光偏转器50内。在示范性实施例1中，半透射反射镜(光反射/透射膜31和51)由电介质多层膜形成。当波长为532nm时，光反射/透射膜31和51的光反射率在垂直入射时约为5％。大量的光反射/透射膜31和51形成在第一光偏转器30和第二光偏转器50中，并且光反射/透射膜31和51沿着第二方向和第四方向的节距例如为0.75mm。光反射/透射膜31和51以相等的节距形成。第一光偏转器30中光反射/透射膜31相对于第二方向的角度(与第二方向形成的角度)在所有的光反射/透射膜31中相同，且为49度。类似地，第二光偏转器50中光反射/透射膜51相对于第四方向的角度(与第四方向形成的角度)在所有的光反射/透射膜51中相同，且为47.5度。
第一光偏转器30和第二光偏转器50可以制造如下。具体地讲，光反射/透射膜31和51基于EB蒸发法形成在具有预定的厚度的光学玻璃的表面上，并且如此获得的材料彼此连接以被堆叠。然后执行切割和抛光，以便光反射/透射膜31和51与第二方向和第四方向形成预定的角度。
在示范性实施例1中，光源11由半导体激光器元件(LD)形成。具体地讲，光源11由发红光的发光元件(半导体激光器元件)11R、发绿光的发光元件(半导体激光器元件)11G和发蓝光的发光元件(半导体激光器元件)11B形成。此外，光源11包括多路复用器(颜色合成器)，将从这些发光元件11R、11G和11B发射的红光束、绿光束和蓝光束合成为一个光束。多路复用器具体地由二向色棱镜13形成。参考标号12和14表示反射镜。尽管图中没有示出，但是用于将从光源11发射的光束转换成平行光束的光束成形器(准直透镜)设置在光源11和固定反射镜14之间。此外，用于成形光束截面形状的孔径(未示出)提供在光源11和固定反射镜14之间。例如，孔径的形状为圆形，直径为1.0mm。在此情况下，当一个光束入射在第一反射镜20上时，光束的截面面积为7.9×10-5cm2。
图6、7和8示出了参数设定为如下值时，基于瞳孔中光强度变化的模拟结果获得的光强度变化率：光束的直径为1.0mm，瞳孔直径为2mm、3mm、4mm和5mm，光束的排列节距(相邻光束中心之间的距离)为光束直径的1.0倍(图中表示为“节距1”)、1.1倍(图中表示为“节距1.1”)、1.2倍(图中表示为“节距1.2”)及1.5倍(图中表示为“节距1.5”)。另外，在该模拟中获得的光束的光强度分布也在图中示出。如果到达第一反射镜20上的光束中心的光强度定义为Imax，并且光束端部的光强度定义为Imin’则在图6至8的示例中分别获得下面的关系。
Imin/Imax＝0.135(图6)
Imin/Imax＝0.411(图7)
Imin/Imax＝0.607(图8)
由图可见，随着Imin/Imax值的变大，光强度变化率的改变变小。就是说，例如，甚至在观察者的瞳孔位置相对于第二光偏转器50运动时，也不容易发生观察者看到图像光强度的变化。因此，优选光源、准直透镜和孔径设计为获得大的Imin/Imax值。此外，为了进一步减少光强度变化，光反射/透射膜的排列节距可以设计为光束的排列节距变为等于或小于光束直径的1.0倍。
示范性实施例1的图像显示装置和光束扩展装置包括第一反射镜20、第一光偏转器30、第二反射镜40和第二光偏转器50，并且将从光源11发射的光束转换为平行光，以出射平行光。因此，例如，二维图像不需要产生扫描器和光束扩展装置内的中间图像。此外，例如，由液晶显示装置形成的图像形成装置自身不是必须的。因此，可以实现光源和扫描器尺寸上的减小以及整个图像显示装置尺寸和重量上的减小。另外，例如，平行光在第二光偏转器上的入射在X方向上是不对称的，因此幻影(ghost)与图像自身几乎不重叠。
抗反射涂层可以提供在第一光偏转器30的光束入射表面32和平行光出射表面33上，并且抗反射涂层可以提供在第二光偏转器50的平行光入射表面52、平行光出射表面53和与平行光出射表面53相对的表面54的每个上。抗反射涂层(ARC)例如采用MgFx形成。
设计为与波长532nm匹配的半波板可以连接到第一光偏转器30的平行光出射表面33。通过该半波板，从第一光偏转器30的平行光出射表面33出射的平行光的偏振光旋转90°，从而在第二光偏转器50的光反射/透射膜51中也获得与设计值相同的反射率。
如果从第一反射镜20入射在第一光偏转器30上的光束由第一光偏转器30的平行光出射表面33全反射，如图9A的示意性截面图所示，则该全反射的光被光反射/透射膜31反射，然后从第一光偏转器30出射，因此幻影可能根据此情况而产生。因此，为了抑制这样的幻影产生，优化了光反射/透射膜31在第一光偏转器30中幻影发生部分的光透射率，并且第一光偏转器30设计为防止所产生的幻影进入观察者的瞳孔。这也应用于第二光偏转器50。
此外，如图9B的示意性局部截面图所示，如果通过第二光偏转器50的与平行光出射表面53相对的表面54入射的环境光与光反射/透射膜51碰撞，则环境光的一部分被反射，并且反射的环境光与其它光反射/透射膜51、平行光出射表面53和与平行光出射表面53相对的表面54碰撞，以重复反射和通过。结果，幻影可能发生。在这样的情况下，为了尽可能抑制幻影的发生，光反射/透射膜51的光透射率设定为尽可能高。作为选择，作为另一种方法，偏光片可以连接到第二光偏转器50的与平行光出射表面53相对的表面54。该方法可以抑制入射环境光被光反射/透射膜51反射，因此可以防止幻影的发生。
[示范性实施例2]
示范性实施例2是对示范性实施例1的修改。如上所述，被提供在第一光偏转器30或第二光偏转器50内的半透射反射镜(光反射/透射膜31或51)反射多次(例如，三次)后从第一光偏转器30或第二光偏转器50出射的分光束的光强度，相对于在反射一次后从第一光偏转器30或第二光偏转器50出射的主光束的光强度高而不可忽略，在某些情况下(见图15)，主光束和分光束之间的干扰引起条斑(不均匀性)出现在图像中。
在示范性实施例2中，为了防止这样条斑的出现，如果光源发射光谱的峰值波长定义为λ，并且光谱半高宽定义为Δλ，则提供在第一光偏转器30内的多个半透射反射镜(光反射/透射膜31)沿着第二方向的节距设计值B1d的变化b1满足下面的公式(2-1)。
b1≥λ2/(3πΔλ)(2-1)
换言之，多个半透射反射镜沿着第二方向的节距变化为满足公式(2-1)。
图10A是第一光偏转器30的示意性局部截面图，如图10A所示，节距的设计值B1d设定为0.70mm，并且入射在第一光偏转器30上的光束直径D1设定为1.5mm。另外，半透射反射镜(光反射/透射膜31)的倾斜角(与第二方向形成的角)Ψ设定为49度，并且光反射/透射膜31的数量设定为30。在此条件下，通过沿着第二方向的节距变化b1的各种改变，进行了大量的模拟。结果，光程长度的最大变化为约节距变化b1的三倍。在第一光偏转器30上的入射光束的位置和第一光偏转器30的平行光出射表面33之间的距离(a1)值大于入射在第一光偏转器30的光束的直径D1。类似地，在第二光偏转器50上的入射光束的位置和第二光偏转器50的平行光出射表面53之间的距离值(参见a1)大于入射在第二光偏转器50上的光束的直径(参见D1)。
另一方面，相干长度Lc可以由下面的公式(2-2)表示。
Lc＝λ2/(πΔλ)(2-2)
如果光程长度的变化等于或大于相干长度Lc，则可以抑制干扰的发生。因此，下面的公式(2-3)是有效的。
3b1≥λ2/(πΔλ)(2-3)
由公式(2-3)可以推导出公式(2-1)。
如上所述，例如，第一光偏转器30通过在具有预定厚度的光学玻璃的表面上基于EB蒸发法形成光反射/透射膜31而获得，并且彼此连接这样获得的材料以使其堆叠。在此情况下，作为变化多个半透射反射镜(光反射/透射膜31)沿着第二方向节距的方法，可以采用在形成第一光偏转器30中改变光学玻璃厚度的方法。作为选择，可以采用改变在连接和堆叠材料时所采用粘合剂厚度的方法或者采用将具有不同粒子直径的填料加入粘合剂的方法。
在节距给定为变化b1＝20μm的半透射反射镜(光反射/透射膜31)的情况下，光程长度上的最大变化为约60μm。因此，如果λ为532nm，则满足公式(2-1)的最小Δλ为约1.5nm。
对于提供在第二光偏转器50内的多个半透射反射镜(光反射/透射膜51)，也可以采用类似的设定。具体地讲，如果光源发射光谱的峰值波长定义为λ，并且光谱半高宽定义为Δλ，则提供在第二光偏转器50内的多个半透射反射镜等沿着第四方向的节距设计值B2d上的变化b2满足下面的公式(2-4)。
b2≥λ2/(3πΔλ)(2-4)
在这些情况下，所希望的是，提供在第一光偏转器30和第二光偏转器50内的半透射反射镜等的光反射率在垂直入射时为10％以下，优选5％以下。
采用发光光谱的峰值波长λ为532nm且光谱半高宽Δλ为1.5nm的光源，并且采用包括20μm的给定节距变化b1和b2的半透射反射镜(光反射/透射膜31和51)第一光偏转器30和第二光偏转器50。结果，光束之间产生光程差，并且主光束和分光束之间的干扰不易发生，从而可以抑制图像中出现条斑。
[示范性实施例3]
示范性实施例3也是示范性实施例1的修改。如上所述，在提供在第一光偏转器30或第二光偏转器50内的半透射反射镜(光反射/透射膜31或51)的情况下，由特定的半透射反射镜等反射的光束和例如由相邻于该半透射反射镜等的半透射反射镜等反射的光束彼此干扰，并且在某些情况下出现点斑(见图16)。该现象在由相邻半透射反射镜等反射的光束彼此重叠时发生(或者当光束的直径D1、D2充分大于所提供的半透射反射镜等的节距B1、B2时发生)。
图10B是第一光偏转器30的示意性局部截面图，如图10B所示，特定的半透射反射镜反射的光束“E”和相邻于该半透射反射镜的半透射反射镜反射的光束“F”之间的光程差等于线段GH和线段HJ的总长度。该总长度至多是间距B1的两倍。作为光束“E”和光束“F”之间干扰的结果，图像中出现斑点。干扰也能发生在彼此不相邻的半透射反射镜反射的光束之间。在第一光偏转器30中，如果观看的水平角为20度，则出现约500个明暗点。类似地，明暗点也出现在第二光偏转器50中。结果，点斑出现在图像中。另外，在某些情况下，由于这样的点斑和图像的重叠而出现莫尔条纹(moire)。
为了防止出现点斑，需要抑制光束“E”和光束“F”之间的干扰。为了这样的目的，光程长度(线段GH和线段HJ的总长度)设定为大于相干距离Lc。相干距离Lc由公式(2-2)获得。另一方面，光程长度(线段GH和线段HJ的总长度)的最大值为2B1。因此，当光程长度大约设定为2B1时，如果满足公式(3-1)，则可以抑制光束“E”和光束“F”之间的干扰。
B1＞λ2/(2πΔλ)(3-1)
另外，下面的公式(3-2)是有效的。
D1＞B1(3-2)
类似地，关于第二光偏转器50，如果满足下面的公式(3-3)，则可以抑制光束“E”和光束“F”之间的干扰。
B2＞λ2/(2πΔλ)(3-3)
另外，下面的公式(3-4)是有效的。
D2＞B2(3-4)
在这些情况下，所希望的是，提供在第一光偏转器30和第二光偏转器50内的半透射反射镜的光反射率在垂直入射时为10％以下，优选5％以下。
与示范性实施例2相类似，如果λ为532nm，且B1和B2为0.70mm，则满足公式(3-1)和(3-3)的最小Δλ为约0.064nm。
采用发射光谱的峰值波长λ为532nm且光谱半高宽Δλ为1.5nm的光源，并且采用包括节距B1和B2为0.70mm的半透射反射镜的第一光偏转器30和第二光偏转器50。结果，光束之间产生光程差，并且相邻半透射反射镜反射的光束之间的干扰不容易发生，从而可以抑制图像中出现点斑。此外，该条件与示范性实施例2所描述的相同。因此，基于该条件，可以抑制图像中出现条斑和点斑。
[示范性实施例4]
示范性实施例4涉及头戴显示器(HMD)，其中结合了本发明的图像显示装置，具体地讲为示范性实施例1中描述的图像显示装置10。图11是从前面看示范性实施例4的头戴显示器时获得的示意图。图12是从上面看示范性实施例4的头戴显示器时获得的示意图。
示范性实施例4的头戴显示器包括
(A)眼镜型框架110，佩戴在观察者70的头上，以及
(B)图像显示装置10。
示范性实施例4中的头戴显示器是包括两个图像显示装置10的显示器，即双眼显示器。
在示范性实施例4的头戴显示器中，框架110由设置在观察者70前面的前部110A、用中间铰链111可转动地连接到前部110A两端的两个镜腿部112以及连接到各镜腿部112末端的端部(也称为末端部分、耳套和耳垫)113组成。在前部110A的上部，设置光源11、第一反射镜20、第一光偏转器30和第二反射镜40。第二光偏转器50设置为相对于观察者70的瞳孔71。具体地讲，第二光偏转器50连接到由透明玻璃板形成的连接构件110C，该连接构件110C设置在相当于普通眼镜的框架中透镜连接位置的位置。光源11、第一反射镜20、第一光偏转器30和第二反射镜40容放在外壳60中，而在图11和图12中没有示出。鼻垫114连接到前部110A。图12中省略了表示鼻垫114的图示。框架110采用金属或者塑料制造。
此外，图像显示装置10引出的互连(信号线和电源线等)115穿过镜腿部112和端部113的内部，并且从端部113的末端延伸到外面，以连接到外部电路(未示出)。此外，每个图像显示装置10都提供有双耳耳机116，并且每个图像显示装置10引出的双耳耳机互连117穿过镜腿部112和端部113的内部，且从端部113的末端延伸到双耳耳机116。更具体地讲，双耳耳机互连117从端部113的末端经由耳廓(听囊)的后侧连接到双耳耳机116。通过采用这样的构造，可以提供整洁的头戴显示器，而不造成双耳耳机116和双耳耳机互连117混乱设置的印象。
尽管本发明已经基于优选的示范性实施例进行了描述，但是本发明不限于这些示范性实施例。示范性实施例所描述的图像显示装置、光束扩展装置和头戴显示器的构造和结构仅为示例，并且可以任意改变。尽管在示范性实施例中作为头戴显示器仅示出了包括两个图像显示装置的双眼显示器，但是头戴显示器可以是仅包括一个图像显示装置的单眼显示器。此外，还可以采用光源设置在镜腿部中的构造，并且也可以采用第一反射镜、第一光偏转器、第二反射镜和第二光偏转器设置在前部的上部的构造。在示范性实施例中，大量的光反射/透射膜制作为具有相同的光透射率。然而，光透射率可以根据光反射/透射膜在第一光偏转器或第二光偏转器中的位置而改变。具体地讲，在第一光偏转器中，光反射/透射膜在远离第一反射镜位置的光反射率设定为较高。在第二光偏转器中，光反射/透射膜在远离第二反射镜位置的光反射率设定为较高。换言之，在第一光偏转器中，光反射/透射膜在远离第一反射镜位置的光透射率设定为较低。在第二光偏转器中，光反射/透射膜在远离第二反射镜位置的光透射率设定为较低。更具体地讲，例如，光反射/透射膜在最远离第一反射镜或第二反射镜位置的光反射率值设定为是光反射/透射膜在相邻第一反射镜或第二反射镜位置的光反射率值的1.1至5倍。示范性实施例通过考虑这样单元设置的示例进行了描述，光从第一光偏转器30在正Z轴方向出射，然后从第二反射镜40在正Y轴方向(即向下方向)出射。然而，本发明不限于这样的单元设置。图13是类似于图1B的概念图，如图13所示，它也可以采用这样的单元设置，光从第一光偏转器30在负Z轴方向出射，然后从第二反射镜40在正Y轴方向(即向下方向)出射。
本申请包含2009年7月17日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP2009-169262和2010年4月28日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP2010-103950中公开的相关主题，其全部内容通过引用结合于此。
本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。

Claims (20)

1.一种图像显示装置，包括光源和扫描从该光源发射的光束的扫描装置，该扫描装置包括：
(a)第一反射镜，构造为可绕作为沿着第一方向延伸的枢轴的第一轴转动，从该光源发射的该光束入射在该第一反射镜上；
(b)第一光偏转器，具有沿着与该第一方向不同的第二方向延伸的轴线，从该第一反射镜出射的光束以第一入射角入射在该第一光偏转器上，该第一光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第一反射镜的转动相关的该光束的第一入射角而与该第二方向形成预定的第一出射角；
(c)第二反射镜，构造为可绕作为沿着第三方向延伸的枢轴的第二轴转动，从该第一光偏转器出射的该平行光入射在该第二反射镜上；以及
(d)第二光偏转器，具有沿着与该第三方向不同的第四方向延伸的轴线，从该第二反射镜出射的平行光以第二入射角入射在该第二光偏转器上，该第二光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第二反射镜的转动相关的该平行光的该第二入射角而与该第四方向形成预定的第二出射角。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
如果从该第一光偏转器沿远离该第一反射镜的方向出射的该平行光的该第一出射角定义为正值出射角，则随着该光束到该第一光偏转器的该第一入射角变大，该第一出射角在从负值到正值的方向上变化。
3.根据权利要求2所述的图像显示装置，其中
如果从该第二光偏转器在远离该第二反射镜的方向上出射的该平行光的该第二出射角定义为正值出射角，则随着该平行光到该第二光偏转器的该第二入射角变大，该第二出射角在从负值到正值的方向上变化。
4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
入射在该第一光偏转器上的光束由该第一光偏转器在该第二方向上扩展，并且入射在该第二光偏转器上的该平行光由该第二光偏转器在该第四方向上扩展。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
图像由P×Q个像素形成，该P×Q个像素布置为P个像素沿着该第二方向布置，Q个像素沿着该第四方向布置，并且
该第一入射角根据P个像素沿着该第二方向的位置而定义，而该第二入射角根据Q个像素沿着该第四方向的位置而定义。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
单位时间内该第一反射镜的转动次数大于单位时间内该第二反射镜的转动次数。
7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
该第一方向和该第四方向彼此一致，且该第二方向和该第三方向彼此一致，并且
该第一方向和该第四方向垂直于该第二方向和该第三方向。
8.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
多个半透射反射镜设置在该第一光偏转器内，并且
多个半透射反射镜设置在该第二光偏转器内。
9.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中
在该第一光偏转器内设置的该多个半透射反射镜沿着该第二方向的节距的变化b1满足下面的公式
b1≥λ2/(3πΔλ)
其中λ是该光源的发射光谱的峰值波长，并且Δλ是光谱的半高宽。
10.根据权利要求9所述的图像显示装置，其中
该第一光偏转器内设置的该半透射反射镜的光反射率在垂直入射时为10％以下。
11.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中
该第二光偏转器内设置的该多个半透射反射镜沿着该第四方向的节距的变化b2满足下面的公式
b2≥λ2/(3πΔλ)
其中λ是该光源的发射光谱的峰值波长，并且Δλ是光谱的半高宽。
12.根据权利要求11所述的图像显示装置，其中
该第二光偏转器内设置的该半透射反射镜的光反射率在垂直入射时为10％以下。
13.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中
满足下面的公式
D1＞B1
B1＞λ2/(2πΔλ)
其中D1是该第一光偏转器上入射的光束的直径，B1是该第一光偏转器内设置的该多个半透射反射镜沿着该第二方向的节距，λ是该光源的发射光谱的峰值波长，并且Δλ是光谱的半高宽。
14.根据权利要求13所述的图像显示装置，其中
该第一光偏转器内设置的该半透射反射镜的光反射率在垂直入射时为10％以下。
15.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中
满足下面的公式
D2＞B2
B2＞λ2/(2πΔλ)
其中D2是该第二光偏转器上入射的光束的直径，B2是该第二光偏转器内设置的该多个半透射反射镜沿着该第四方向的节距，λ是该光源的发射光谱的峰值波长，并且Δλ是光谱的半高宽。
16.根据权利要求15所述的图像显示装置，其中
该第二光偏转器内设置的该半透射反射镜的光反射率在垂直入射时为10％以下。
17.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中
该第一光偏转器的光束入射表面和平行光出射表面上设置有抗反射涂层，并且
该第二光偏转器的平行光入射表面、平行光出射表面和与该平行光出射表面相对的表面的每个上都设置有抗反射涂层。
18.一种头戴显示器，包括：
(A)眼镜型框架，构造为佩戴在观察者的头上；以及
(B)图像显示装置，构造为连接到该框架，其中
该图像显示装置包括光源和用于扫描从该光源发射的光束的扫描装置，并且
该扫描装置包括
(a)第一反射镜，可绕作为沿着第一方向延伸的枢轴的第一轴转动，从该光源发射的该光束入射在该第一反射镜上，
(b)第一光偏转器，具有沿着与该第一方向不同的第二方向延伸的轴线，从该第一反射镜出射的光束以第一入射角入射在该第一光偏转器上，该第一光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第一反射镜的转动相关的该光束的该第一入射角而与该第二方向形成预定的第一出射角，
(c)第二反射镜，可绕作为沿着第三方向延伸的枢轴的第二轴转动，从该第一光偏转器出射的该平行光入射在该第二反射镜上，以及
(d)第二光偏转器，具有沿着与该第三方向不同的第四方向延伸的轴线，从该第二反射镜出射的平行光以第二入射角入射在该第二光偏转器上，该第二光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第二反射镜的转动相关的该平行光的该第二入射角与该第四方向形成预定的第二出射角。
19.根据权利要求18所述的头戴显示器，其中
该框架由设置在观察者前面的前部、用中间的铰链转动地连接到该前部的两端的两个镜腿部和连接到该镜腿部末端的端部组成，
该光源设置在该镜腿部或该前部的上部，
该第一反射镜、该第一光偏转器和该第二反射镜设置在该前部的上部，并且
该第二光偏转器设置为与观察者的瞳孔相对。
20.一种光束扩展装置，在第二方向和第四方向上二维地扩展从光源发射的光束，并且出射作为平行光的扩展光束，该光束扩展装置包括：
(a)第一反射镜，构造为可绕作为沿着第一方向延伸的枢轴的第一轴转动，从该光源发射的该光束入射在该第一反射镜上；
(b)第一光偏转器，具有沿着与该第一方向不同的第二方向延伸的轴线，从该第一反射镜出射的光束以第一入射角入射在该第一光偏转器上，该第一光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第一反射镜的转动相关的该光束的该第一入射角而与该第二方向形成预定的第一出射角；
(c)第二反射镜，构造为可绕作为沿着第三方向延伸的枢轴的第二轴转动，从该第一光偏转器出射的该平行光入射在该第二反射镜上；以及
(d)第二光偏转器，具有沿着与该第三方向不同的第四方向延伸的轴线，从该第二反射镜出射的平行光以第二入射角入射在该第二光偏转器上，该第二光偏转器出射平行光，该平行光根据与该第二反射镜的转动相关的该平行光的该第二入射角而与该第四方向形成预定的第二出射角。
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