CN119422098A - 光学系统以及图像显示装置 - Google Patents

Abstract

提供能够提高来自显示元件的图像光的利用效率的光学系统以及图像显示装置。光学系统的导光构件（5）具备：出射扩张区域（53），具有衍射构造，该衍射构造使从入射区域（51）入射到主体部（50）内并沿与主体部（50）的厚度方向交叉的第1传播方向传播的图像光（L1B）在第1传播方向上分割成沿与第1传播方向交叉的第2传播方向传播的多个图像光（L1C），并从导光构件（5）射出。出射扩张区域（53）的至少一部分在设为在相对于出射扩张区域（53）的图像光的入射侧和出射侧介质的折射率彼此相等的情况下，包括出射扩张区域（53）的法线（N）的给定平面（P1）内的从出射扩张区域（53）以最高的衍射效率射出的图像光（LIC）的出射角度θ_out为15°以上且45°以下，给定平面（P1）内的入射到出射扩张区域（53）的图像光（LIB）的入射角度θ_in比出射角度θ_out大14°以上。

Description

光学系统以及图像显示装置

技术领域

本公开涉及光学系统以及图像显示装置。

背景技术

以往，公开了使用平视显示装置来进行增强现实（AR）显示的车辆信息投影系统。平视显示装置例如通过将表示虚像的光（来自显示元件的图像光）投影到车辆的风挡，来使驾驶者与车辆的外界的实景一起对虚像进行视觉确认。

在专利文献1中记载了一种显示虚像的显示系统，记载了：利用衍射元件对从导波管（导光体）内部射出的光束进行衍射，从而变更光束的行进方向。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2018-506068号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1所记载的显示系统中，希望提高来自显示元件的图像光的利用效率。

本公开提供能够提高来自显示元件的图像光的利用效率的光学系统以及图像显示装置。

用于解决课题的手段

本公开的一方式所涉及的光学系统具备：导光构件，将从显示元件输出的形成图像的图像光作为光学像而引导至用户的视野区域。导光构件具备：板状的主体部；入射区域，被形成在主体部，使图像光入射到主体部内以使得图像光在主体部内传播；和出射扩张区域，被形成在主体部，具有衍射构造，所述衍射构造使沿与主体部的厚度方向交叉的第1传播方向传播的图像光在第1传播方向上分割成沿与第1传播方向交叉的第2传播方向传播的多个图像光，并从导光构件射出。出射扩张区域的至少一部分在设为相对于所述出射扩张区域的图像光的入射侧的介质和相对于所述出射扩张区域的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，包括出射扩张区域的法线的给定平面内的从出射扩张区域以最高的衍射效率射出的图像光的出射角度θ_out为15°以上且45°以下，给定平面内的入射到出射扩张区域的图像光的入射角度θ_in比出射角度θ_out大14°以上。

本公开的一方式所涉及的图像显示装置具备上述的光学系统和显示元件。

发明效果

本公开的方式能够提高来自显示元件的图像光的利用效率。

附图说明

图1是具备一实施方式的图像显示装置的移动体的结构例的概略图。

图2是从图1的图像显示装置的显示元件射出的图像光的光路的说明图。

图3是图1的图像显示装置的导光构件的结构例的立体图。

图4是图3的导光构件的概略俯视图。

图5是体积全息图元件的概略说明图。

图6是示出入射角度与出射角度的关系的例子的曲线图。

图7是图3的导光构件的出射扩张区域对图像光的衍射作用的说明图。

图8是比较例的导光构件的出射扩张区域对图像光的衍射作用的说明图。

图9是示出图像光向出射扩张区域的入射角度与-1级衍射光的比例的关系的一个例子的曲线图。

图10是示出衍射间距与衍射效率的关系的一个例子的曲线图。

图11是图3的导光构件的XZ平面内的图像光的入射角度以及出射角度的说明图。

图12是图3的导光构件的YZ平面内的图像光的入射角度以及出射角度的说明图。

图13是表面浮雕型的衍射光栅的概略说明图。

具体实施方式

以下，适当参照附图来对实施方式详细地进行说明。不过，有时省略超出必要地详细的说明。例如，有时省略已经广为人知的事项的详细说明、针对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员容易理解。另外，发明人（们）为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供附图以及以下的说明，其意图并不在于由这些来限定权利要求书所记载的主题。

除非特别声明，否则上下左右等位置关系设为基于附图中示出的位置关系。在以下的实施方式中说明的各图是示意性的图，各图中的各构成要素的大小以及厚度各自的比未必反映了实际的尺寸比。此外，各要素的尺寸比率不限于附图中图示的比率。

在本公开中，关于光，“使其前往〇〇方向”以及“使其沿〇〇方向传播”等表述意味着形成图像的光作为整体而前往〇〇方向，形成图像的光所包含的光线也可以相对于〇〇方向倾斜。例如，关于“前往〇〇方向的光”，只要该光的主光线前往〇〇方向即可，光的副光线也可以相对于〇〇方向倾斜。

[1.实施方式]

[1.1、结构]

图1是具备本实施方式的图像显示装置1的移动体100的概略图。图1的移动体100是汽车。以下，有时仅为了促进理解而将移动体100显示为汽车100。图1的图像显示装置1是汽车100中使用的平视显示器（HUD：Head-Up Display）。

图1的图像显示装置1被设置在汽车100的车厢内，以使得从下方将图像投影到汽车100的风挡101。在图1中，在风挡101的下方的仪表盘内配置有图像显示装置1。若从图像显示装置1向风挡101投影图像，则由风挡101反射的图像被用户D（驾驶者、观察者）视觉确认。用户D将从图像显示装置1投影的图像作为虚像Iv来识别。如此，图像显示装置1将虚像Iv叠加于能够经由风挡101视觉确认的实景来进行显示。

图1的图像显示装置1具备显示元件2、光学系统3和控制装置4。

显示元件2为了显示图像（影像）而将形成图像的图像光L1输出。在此，图1为了简单起见而将图像光L1绘制为具有指向性的光，但实际上作为具有相当于视野角的角度的光而入射到光学系统3。显示元件2的光轴是图像光L1的光轴。图像光L1的光轴例如是从显示元件2的中心输出的光的光轴。作为显示元件2的例子，可列举出液晶显示器、有机EL显示器、扫描型MEMS反射镜、LCOS（Liquid Crystal On Silicon，硅基板液晶显示器）、DMD（Digital Mirror Device，数字微镜器件）、微LED等已知的显示器。基于图像光L1的图像例如对道路行进指引显示、到前方车辆的距离、车辆的蓄电池余量、当前的车速等各种信息进行视觉显示。

光学系统3将显示元件2所输出的图像光L1引导至针对用户的眼睛设定的视野区域Ac。在视野区域Ac中，用户能够不被阻断地用自身的眼睛对显示元件2形成的图像进行视觉确认。以下，根据需要，为了将从光学系统3射出的图像光与显示元件2朝向光学系统3输出的图像光L1区分，有时对从光学系统3射出的图像光标注附图标记L2。

图2是从图像显示装置1的光学系统3射出的图像光L2的光路的说明图。在本实施方式中，光学系统3通过光瞳扩张的作用来扩大视野区域Ac。即，光学系统3通过复制图像光L1的光瞳来扩大视野区域Ac。在本实施方式中，视觉确认区域Ac由矩形状的平面规定。只要在视野区域Ac内，则即便用户D的眼睛的位置在图2的水平方向以及垂直方向上偏移，也能够对基于图像光L1的图像进行视觉确认。

如图1所示，光学系统3具备导光构件5和投射光学系统6。

导光构件5将从显示元件2输出的形成图像的图像光L1作为光学像而引导至用户的视野区域Ac。在本实施方式中，光学像是虚像Iv。

图3是导光构件5的结构例的立体图。在对导光构件5进行说明时，参照图3中记载的XYZ的3轴的正交坐标。

如图3所示，导光构件5具备主体部50、入射区域51、辅助扩张区域52和出射扩张区域53。

主体部50由在可见光区域内透明的材料形成。主体部50是板状。在本实施方式中，主体部50是矩形的板状。主体部50具有主体部50的厚度方向的第1面50a以及第2面50b。主体部50的厚度方向是图3中的Z轴方向。主体部50将第1面50a朝向显示元件2侧地配置，将第2面50b朝向视野区域Ac侧地配置。在该情况下，第1面50a是图像光L1入射到主体部50的入射面，第2面50b是图像光L2从主体部50射出的出射面。在本实施方式中，将导光构件5定位为，使从主体部50射出的图像光L2由光透过性构件反射由此作为虚像Iv而引导至视野区域Ac。由此，能够使用户D以与能够从视野区域Ac穿过光透过性构件而视觉确认的实景叠加的方式观看虚像Iv。在本实施方式中，光透过性构件是风挡101，但光透过性构件不限于风挡101，也可以是组合件（combiner）等在可见光区域内透明（不过，不限于无色透明）的构件。

图4是从第2面50b侧观察的导光构件5的俯视图。如图4所示，入射区域51、辅助扩张区域52和出射扩张区域53被形成在导光构件5的主体部50。

入射区域51使图像光L1入射到主体部50内，以使得图像光L1在主体部50内传播。在本实施方式中，入射区域51使从相对于主体部50的第1面50a的法线倾斜的第1倾斜方向入射到主体部50的第1面50a的图像光L1入射到主体部50内，以使得图像光L1在主体部50内传播。在本实施方式中，在图3中，第1倾斜方向是由D1表示的方向。在本实施方式中，入射区域51使图像光L1入射到主体部50内，以使得图像光L1沿与主体部50的厚度方向正交的给定方向（X轴的正方向）在主体部50内传播。在图4中，对沿X轴的正方向传播的图像光标注了附图标记L1A。即，入射区域51改变入射到入射区域51的图像光L1的行进方向，使其作为图像光L1A在主体部50内沿给定方向传播。在本实施方式中，入射区域51用于显示元件2与导光构件5的耦合（Coupling）。入射区域51使图像光L1入射到主体部50内，以使得图像光L1以全反射条件在主体部50内传播。在此所说的“耦合（Coupling）”是指，以全反射条件在导光构件5的主体部50内传播的状态。

入射区域51通过具有针对图像光L1的衍射作用的衍射构造（周期构造体）来构成。入射区域51的衍射构造例如是体积全息图元件（全息衍射光栅）。入射区域51例如被形成在主体部50的内部。

图5是体积全息图元件的概略说明图。体积全息图元件通过折射率的周期调制来产生衍射作用。在图5中，Z1轴的方向是体积全息图元件的厚度方向。X1轴的方向以及Y1轴的方向与Z1轴的方向正交，并且相互正交。X1轴的方向是体积全息图元件的折射率不变化的方向。Y1轴的方向是体积全息图元件的折射率周期性地变化的方向。图5的Gp表示体积全息图元件的衍射周期（衍射间距）[μm]。体积全息图元件的衍射周期表示体积全息图元件的折射率的变化的周期。体积全息图元件的衍射周期例如能够通过体积全息图元件的最大折射率间或最小折射率间的距离来定义。

在图4中，用Gp1表示入射区域51的体积全息图元件的衍射周期，分别用X11轴、Y11轴以及Z11轴表示入射区域51的体积全息图元件的X1轴、Y1轴以及Z1轴。入射区域51的体积全息图元件的X11轴的方向（折射率不变化的方向）在与主体部50的厚度方向正交的面内（XY面内），相对于Y轴的方向以角度Ga1交叉。

入射区域51通过衍射作用来使图像光L1在主体部50内以相对于第1面50a以及第2面50b进行全反射的条件入射。通过入射区域51，从而图像光L1被第1面50a以及第2面50b全反射，由此在主体部50内沿X轴的正方向前进。

入射区域51的大小被设定为，使得经过投射光学系统6后的来自显示元件2的图像光L1的一部分或全部入射到入射区域51。在本实施方式中，如图4所示，入射区域51为四边形状。

辅助扩张区域52被配置为在给定方向（X轴的正方向）上与入射区域51并排。辅助扩张区域52通过具有针对图像光L1A的衍射作用的衍射构造（周期构造体）来构成。辅助扩张区域52的衍射构造例如是体积全息图元件（全息衍射光栅）。辅助扩张区域52例如被形成在主体部50的内部。在图4中，用Gp2表示辅助扩张区域52的体积全息图元件的衍射周期，分别用X12轴、Y12轴以及Z12轴表示辅助扩张区域52的体积全息图元件的X1轴、Y1轴以及Z1轴。辅助扩张区域52的体积全息图元件的X1轴的方向（折射率不变化的方向）在与主体部50的厚度方向正交的面内（XY面内），相对于Y轴的方向以角度Ga2交叉。

辅助扩张区域52使图像光L1A的行进方向变更为第1传播方向，并且将其分割成多个。第1传播方向是在与主体部50的厚度方向正交的面内（XY面内）与给定方向交叉的方向。例如，第1传播方向是Y轴的正方向。在图4中，对沿Y轴的正方向传播的图像光标注了附图标记L1B。如此，辅助扩张区域52被构成为，将沿给定方向传播的图像光L1A在给定方向上分割成沿第1传播方向传播的多个图像光L1B。辅助扩张区域52使通过对在导光构件5的主体部50内传播的图像光L1A进行分割而沿给定方向（X轴的正方向）排列的多个图像光L1B前往出射扩张区域53。如此，辅助扩张区域52在给定方向（X轴的正方向）上进行图像光L1的光瞳的扩张。即，如图4所示，辅助扩张区域52通过将图像光L1A分割成前往出射扩张区域53的大致平行的多个图像光L1B，从而在给定方向（X轴的正方向）上对投射光学系统6所投射的图像光L1的光瞳进行复制来进行扩张。

辅助扩张区域52的大小被设定为，使得来自入射区域51的图像光L1A入射到辅助扩张区域52。作为一个例子，辅助扩张区域52中的入射区域51侧的端（图4中的右端）的Y轴的方向的尺寸被设定为，使得由入射区域51衍射后的图像光L1A不泄漏地入射到辅助扩张区域52。在本实施方式中，如图4所示，辅助扩张区域52是四边形状。

出射扩张区域53被配置为在第1传播方向（Y轴的正方向）上与辅助扩张区域52并排。出射扩张区域53通过具有针对图像光L1B的衍射作用的衍射构造（周期构造体）来构成。出射扩张区域53的衍射构造例如是体积全息图元件（全息衍射光栅）。在图4中，用Gp3表示出射扩张区域53的体积全息图元件的衍射周期，分别用X13轴、Y13轴以及Z13轴表示出射扩张区域53的体积全息图元件的X1轴、Y1轴以及Z1轴。出射扩张区域53的体积全息图元件的X1轴的方向（折射率不变化的方向）在与主体部50的厚度方向正交的面内（XY面内），相对于Y轴的方向以角度Ga3交叉。

出射扩张区域53使图像光L1B的行进方向变更为第2传播方向，并且将其分割成多个。第2传播方向是从主体部50前往视野区域Ac的方向。在图3中，对沿第2传播方向传播的图像光标注了附图标记L12。出射扩张区域53使沿第2传播方向传播的多个图像光L1C从主体部50的第2面50b沿相对于主体部50的第2面50b的法线倾斜的第2倾斜方向射出。在图3中，对沿第2倾斜方向传播的图像光标注了附图标记L2。在本实施方式中，在图3中，第2倾斜方向是由D1表示的方向。由此，第1倾斜方向和第2倾斜方向相互平行。如此，出射扩张区域53被构成为，将沿第1传播方向传播的图像光L1B在第1传播方向上分割成沿第2传播方向传播并从主体部50的第2面50b沿第2倾斜方向射出的多个图像光L2。出射扩张区域53使通过对在导光构件5的主体部50内传播的图像光L1B进行分割而沿第1传播方向（Y轴的正方向）排列的多个图像光L2前往视野区域Ac。如此，出射扩张区域53在第1传播方向（Y轴的正方向）上进行图像光L1的光瞳的扩张。即，如图3所示，出射扩张区域53通过将图像光L1B分割成前往视野区域Ac的大致平行的多个图像光L2，来在第1传播方向（Y轴的正方向）上对投射光学系统6所投射的图像光L1的光瞳进行复制来进行扩张。

如此，辅助扩张区域52以及出射扩张区域53通过对从入射区域51入射到导光构件5的主体部50内的图像光L1进行分割，从而复制图像光L1的光瞳来进行扩张。在本实施方式中，辅助扩张区域52以及出射扩张区域53通过将从入射区域51入射到导光构件5的主体部50内的图像光L1分割成多个图像光L2并向视野区域Ac射出，从而复制图像光L1的光瞳来进行扩张。到达视野区域Ac的多个图像光L2可以相互平行。“多个图像光L2相互平行”这样的表述并不限于多个图像光L2在严格意义上相互平行，而包括多个图像光L2相互大致平行的情形。即便多个图像光L2不是在严格意义上相互平行，但只要多个图像光L2的朝向以在光学设计上可认为多个图像光L2平行的程度一致即可。通过多个图像光L2相互平行，从而能够提高在视野区域Ac中图像光的光瞳的配置的均匀性，由此，视野区域Ac中的图像光的光瞳的漏填充被降低。如图2所示，在本实施方式中，多个图像光L2由风挡101反射而前往视野区域Ac。导光构件5可以被构成为使由风挡101反射而前往视野区域Ac的多个图像光L2相互平行。在如图2那样风挡101为曲面的情况下，即便前往风挡101的方向相同，根据风挡101的面内的场所，图像光L2的入射角以及反射角也会不同。因此，导光构件5不是被构成为直到多个图像光L2从导光构件5射出并入射到风挡101为止一定相互平行，而被构成为通过由风挡101反射而变得相互平行。另一方面，在风挡101是平面的情况下，若前往风挡101的方向相同，则图像光L2的入射角以及反射角与风挡101的面内的场所无关而相等。因此，导光构件5可以被构成为使相互平行的多个图像光L2从导光构件5射出。

投射光学系统6对从显示元件2输出的形成图像的图像光L1进行投射。由此，投射光学系统6使来自显示元件2的图像光L1入射到导光构件5。如图1所示，投射光学系统6处于显示元件2与导光构件5之间。投射光学系统6例如使来自显示元件2的图像光L1准直而入射到入射区域51。投射光学系统6使图像光L1成为大致准直光而入射到入射区域51。投射光学系统6例如是双凸透镜。

控制装置4能够通过半导体元件等来实现。控制装置4例如能够由微电脑、CPU、MPU、GPU、DSP、FPGA或ASIC构成。控制装置4通过读取存储装置4a中保存的数据、程序并进行各种运算处理来实现预先决定的功能。存储装置4a是对为了实现控制装置4的功能所需要的程序以及数据进行存储的存储介质。存储装置4a例如通过硬盘（HDD）、SSD、RAM、DRAM、强电介质存储器、闪速存储器、磁盘、或它们的组合来实现。在存储装置4a中保存有表示作为光学像的虚像Iv的多个图像数据。控制装置4基于从外部获取的车辆关联信息，决定要显示的虚像Iv。控制装置4从存储装置4a读取决定出的虚像Iv的图像数据，并输出到显示元件2。

在以上描述的图像显示装置1中，导光构件5被构成为，出射扩张区域53的至少一部分在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，满足θ_out为15°以上且45°以下并且θ_in比θ_out大14°以上这样的关系。

如图3所示，θ_in是包括出射扩张区域53的法线N1的给定平面P1内的入射到出射扩张区域53的图像光L1B的入射角度。θ_out是包括出射扩张区域53的法线N1的给定平面P1内的从出射扩张区域53以最高的衍射效率射出的图像光L1C的出射角度。

由此，能够降低出射扩张区域53中的无用的衍射光（以下，也简称为无用光）的产生。由此，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

特别地，在本实施方式中，导光构件5被构成为满足下式（1）。

[数学式1]

在本实施方式中，出射扩张区域53的至少一部分在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，通过满足式（1），能够降低出射扩张区域53中的无用的衍射光（以下，也简称为无用光）的产生。由此，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在此，出射扩张区域53的至少一部分可以是出射扩张区域53的任意的部分，但可以被包含在从入射区域51向出射扩张区域53的图像光L1的光路上、出射扩张区域53的入射区域51侧的端部。在本实施方式中，从入射区域51向出射扩张区域53的图像光L1的光路经由辅助扩张区域52。由此，例如在图4中，“在从入射区域51向出射扩张区域53的图像光L1的光路上、出射扩张区域53的入射区域51侧的端部”不是出射扩张区域53的X轴的负方向侧的端部，而是Y轴的负方向侧的端部。在本实施方式中，出射扩张区域53的入射区域51侧的端部可以是从出射扩张区域53的入射区域51侧的一端53a起在第1传播方向上占据出射扩张区域53的1/4的区域。在从入射区域51向出射扩张区域53的图像光L1的光路上、出射扩张区域53的入射区域51侧的端部是在出射扩张区域53中图像光所入射的一侧的端部，所以是在出射扩张区域53中入射到出射扩张区域53的图像光L1B的光量多的部分。因此，通过在入射到出射扩张区域53的图像光L1B的光量多的部分中降低无用光的产生，能够高效地提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。当然，导光构件5可以被构成为，出射扩张区域53的全部在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，满足式（1）。

下表1示出满足式（1）的入射角度θ_in的下限。在表1中，入射角度θ_in是对小数点以下进行了四舍五入后的值。

[表1]

图6是示出入射角度θ_in与出射角度θ_out的关系的例子的曲线图。R1示出表1的关系，R2仅作为参考而示出θ_in＝θ_out的关系。

至少在θ_out为15°以上且45°以下的情况下，R1能够近似为直线，根据这点，在本实施方式中，导光构件5被构成为满足下式（2）。在下式（2）中，入射角度θ_in是对小数点以下进行了四舍五入后的值。

[数学式2]

在本实施方式中，出射扩张区域53的至少一部分在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，通过满足式（2），能够降低出射扩张区域53中的无用光的产生。由此，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

接下来，参照图7以及图8，对上述式（1）进行说明。图7是导光构件5的出射扩张区域53对图像光L1B的衍射作用的说明图。图8是一比较例的导光构件500的出射扩张区域53对图像光的衍射作用的说明图。基于出射扩张区域53的衍射由下式（3）表示。

[数学式3]

在式（3）中，m是衍射级数。d是衍射间距（衍射周期）。λ是图像光L1B的波长。θm是包括出射扩张区域53的法线N1的给定平面P1内的从出射扩张区域53射出的衍射了m级后的图像光（m级衍射光）的出射角度。

在式（3）中，n_in是相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质的折射率。n_out是相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率。在本实施方式中，相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质以及相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质均是导光构件5的主体部50。折射率n_in和折射率n_out相等。由此，若将导光构件5的主体部50的折射率设为n₀，则根据上式（3），可得到下式（4）。

[数学式4]

在图8中，通过出射扩张区域53，从而可根据图像光L1B得到行进的朝向不同的图像光L1C、L1D、L1E。在此，图像光L1C为1级衍射光，图像光L1D为-1级衍射光，图像光L1E为2级衍射光。相对于出射扩张区域53处于出射侧的图像光L1B是0级衍射光。

图像光L1C是从出射扩张区域53以最高的衍射效率射出的图像光。图像光L1C是1级衍射光，所以m＝1，下式（5）成立。

[数学式5]

图像光L1D是无用的光。因为图像光L1D是-1级衍射光，所以m＝-1，下式（6）成立。

[数学式6]

如图7所示，通过使得不存在图像光L1D，从而图像光L1C的光量增加。由此，能够期待来自显示元件2的图像光L1的利用效率的提高。不存在图像光L1D的条件为，相对于出射扩张区域53，在出射侧不存在图像光L1D，这与不存在θ_-1同义。根据以上，不存在图像光L1D的条件由下式（7）给出。

[数学式7]

根据式（6）以及式（7），可得到下式（8）。

[数学式8]

根据式（5）以及式（8），可得到下式（9）。

[数学式9]

因为图像光L1C是从出射扩张区域53以最高的衍射效率射出的图像光，所以若在式（9）中将θ₁置换为θ_out而进行变形，可得到上式（1）。

所谓“在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下”，例如是指，以相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等这一条件对出射角度sinθ_out预先进行校正。例如，将相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此不同的情况下的出射角度sinθ_out设为sinθ_out1，并将设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下的出射角度sinθ_out设为sinθ_out2。若使用上述的折射率n_in、n_out，则sinθ_out2＝（n_out/n_in）×sinθ_out1。即，在式（1）中，只要使用sinθ_out2作为sinθ_out即可。

图8的比较例的导光构件500具有与图3的导光构件5同样的结构，但与导光构件5不同，出射扩张区域530在任意部分中均不满足上式（1）。因此，在比较例的导光构件500中，存在图像光L1D。由于存在图像光L1D，从而图像光L1C的光量减少，这可能成为来自显示元件2的图像光L1的利用效率的下降的一个原因。

图9是示出图像光L1B向出射扩张区域53的入射角度（θ_in）与-1级衍射光（图像光L1D）的比例的关系的一个例子的曲线图。作为一个例子，在入射角度为43°的情况下，1级衍射光的比例为18%，-1级衍射光的比例为10%，2级衍射光的比例为0.6%。作为一个例子，在入射角度为51°的情况下，1级衍射光的比例为22%，-1级衍射光的比例为0%，2级衍射光的比例为0.2%。因此，通过使得不存在-1级衍射光（图像光L1D），从而1级衍射光（图像光L1C）的比例、即光量增加。由此，能够期待来自显示元件2的图像光L1的利用效率的提高。

出射扩张区域53的基于衍射构造的衍射效率可能根据衍射间距（衍射周期Gp3）以及图像光的偏振状态而变化。图10是示出衍射间距与衍射效率的关系的一个例子的曲线图。图10的曲线图F1示出使图像光的偏振状态变化了时的衍射效率的最大值的由衍射间距引起的变化。图10的曲线图F2示出使图像光的偏振状态变化时的衍射效率的最小值的由衍射间距引起的变化。在图10中，向出射扩张区域53的图像光的入射角度为45°，图像光的波长为0.52μm。在图10中，出射扩张区域53的衍射构造是体积全息图元件，在该体积全息图元件中，厚度为5μm，折射率为1.505，折射率调制量为0.03。

根据图10，在衍射间距为1.4μm～2.0μm的范围内，衍射效率的最大值以及最小值均变大。若衍射间距低于约0.45μm，则衍射效率的最大值与最小值之差急剧地变大。衍射效率的最大值与最小值之差的增加导致图像光在出射扩张区域53传播的期间的衍射效率的变化的增加，这成为虚像Iv的画质的下降的一个原因。这是由于，在光瞳扩张中，通过衍射构造，任何图像光均伴随有偏振状态的变化。在衍射间距过大的情况下，衍射效率的最大值以及最小值也均变小。在图10中，在衍射间距为约3.5μm的情况下，衍射效率的最大值以及最小值成为峰值（衍射间距为1.4μm～2.0μm的范围内的衍射效率的最大值以及最小值）的一半程度。

使出射扩张区域53的衍射构造变化，同时对图10所示那样的使图像光的偏振状态变化时的衍射效率的最大值以及最小值的由衍射间距引起的变化进行了仿真，其结果，能够确认到，若出射扩张区域53的衍射周期为1.23×λ/n以上且10.0×λ/n以下，则即便减小衍射效率的最大值与最小值之差，也能够同时增大衍射效率的最大值和最小值。即，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率，并且能够降低由图像光L1的偏振状态引起的虚像Iv的画质的下降。在此，λ是图像光的波长，n是出射扩张区域53的折射率。在出射扩张区域53的衍射构造为体积全息图元件的情况下，出射扩张区域53的折射率是体积全息图元件的折射率。

[1.2 实施例以及比较例]

以下，对导光构件5的实施例以及比较例进行说明。下述的实施例只是导光构件5的能够实现的实施例的一部分。

下表2～表4分别示出实施例1～4以及比较例1～3的与入射区域51、辅助扩张区域52以及出射扩张区域53有关的图像光的参数以及衍射构造的参数。

与入射区域51、辅助扩张区域52以及出射扩张区域53有关的图像光的参数包括θ_inx[°]、θ_iny[°]、θ_outx[°]、θ_outy[°]。

θ_inx是图3的导光构件5的XZ平面内的图像光的入射角度。θ_outx是导光构件5的XZ平面内的图像光的出射角度。参照图11来更详细地说明。图11是图3的导光构件5的XZ平面内的图像光的入射角度θ_inx以及出射角度θ_outx的说明图。在图11中，衍射构造54表示入射区域51、辅助扩张区域52或出射扩张区域53的衍射构造。图像光L11表示入射到入射区域51、辅助扩张区域52或出射扩张区域53的图像光。图像光L12表示从入射区域51、辅助扩张区域52或出射扩张区域53以最高的衍射效率射出的图像光。在图11中，θ_inx是包括衍射构造54的法线N2的给定平面（XZ平面）内的入射到衍射构造54的图像光L11的入射角度。在图11中，θ_outx是包括衍射构造54的法线N2的给定平面（XZ平面）内的从衍射构造54以最高的衍射效率射出的图像光L12的出射角度。

θ_iny是图3的导光构件5的YZ平面内的图像光的入射角度。θ_outy是导光构件5的YZ平面内的图像光的出射角度。参照图12来更详细地说明。图12是图3的导光构件5的YZ平面内的图像光的入射角度θ_iny以及出射角度θ_outy的说明图。在图12中，衍射构造54表示入射区域51、辅助扩张区域52或出射扩张区域53的衍射构造。图像光L11表示入射到入射区域51、辅助扩张区域52或出射扩张区域53的图像光。图像光L12表示从入射区域51、辅助扩张区域52或出射扩张区域53以最高的衍射效率射出的图像光。在图12中，θ_iny是包括衍射构造54的法线N2的给定平面（YZ平面）内的入射到衍射构造54的图像光L11的入射角度。在图12中，θ_outy是包括衍射构造54的法线N2的给定平面（YZ平面）内的从衍射构造54以最高的衍射效率射出的图像光L12的出射角度。

与入射区域51有关的衍射构造的参数包括图4所示的Ga1[°]以及Gp1[μm]。与辅助扩张区域52有关的衍射构造的参数包括图4所示的Ga2[°]以及Gp2[μm]。与出射扩张区域53有关的衍射构造的参数包括图4所示的Ga3[°]以及Gp3[μm]。

[表2]

[表3]

[表4]

下表5示出实施例1～4以及比较例1～3的、式（1）的左边以及右边和无用光的有无。将表4的θ_iny作为式（1）的θ_in且将表4的θ_outy作为式（1）的θ_out而代入来计算表5的式（1）的左边以及右边。另外，在实施例1～4以及比较例1～3中，导光构件5的主体部50的折射率n是1.505。在实施例1、3、4以及比较例1、3中，图像光L1的波长是0.52[μm]。在实施例2以及比较例2中，图像光L1的波长是0.62[μm]。

[表5]

若对实施例1和比较例1进行比较，则在YZ平面内，在比较例1中确认到了无用光的存在，但在实施例1中未确认到无用光的存在。若对实施例2和比较例2进行比较，则在YZ平面内，在比较例2中确认到了无用光的存在，但在实施例2中未确认到无用光的存在。若对实施例3和比较例3进行比较，则在XY平面内，在从Y轴的方向倾斜了7.12°的平面内，在比较例3中确认到了无用光的存在，但在实施例3中未确认到无用光的存在。在实施例4中，在YZ平面内，未确认到无用光的存在。

根据表5，实施例1～4满足式（1），比较例1～3不满足式（1）。因此，通过出射扩张区域53的至少一部分满足下式（1），从而能够降低出射扩张区域53中的无用光的产生。由此，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。特别地，在实施例1～3中，导光构件5的YZ平面内的图像光的出射角度θ_outy为15°以上且45°以下，导光构件5的YZ平面内的图像光的入射角度θ_iny比出射角度θ_outy大14°以上。此外，实施例1～3满足式（2）。关于实施例1～3，图像光L1的第1倾斜角度以及第2倾斜角度不为0°，适于平视显示器，关于实施例4，图像光L1的第1倾斜角度以及第2倾斜角度为0°，适于头戴式显示器。

[1.3、效果等]

以上描述的光学系统3具备导光构件5，导光构件5将从显示元件2输出的形成图像的图像光L1作为光学像（虚像Iv）而引导至用户D的视野区域Ac。导光构件5具备：板状的主体部50；入射区域51，被形成在主体部50，使图像光L1入射到主体部50内，以使得图像光L1在主体部50内传播；和出射扩张区域53，被形成在主体部50，具有衍射构造，该衍射构造使沿与主体部50的厚度方向交叉的第1传播方向传播的图像光L1B在第1传播方向上分割成沿与第1传播方向交叉的第2传播方向传播的多个图像光L1C，并从导光构件5射出。出射扩张区域53的至少一部分在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，包括出射扩张区域53的法线N的给定平面P1内的从出射扩张区域53以最高的衍射效率射出的图像光L1C的出射角度θ_out为15°以上且45°以下，给定平面P1内的入射到出射扩张区域53的图像光L1B的入射角度θ_in比出射角度θ_out大14°以上。该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在光学系统3中，满足下式（1）。

[数学式10]

该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在光学系统3中，满足下式（2）。

[数学式11]

该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在光学系统3中，主体部50具有厚度方向的第1面50a以及第2面50b。入射区域51使从相对于第1面50a的法线倾斜的第1倾斜方向入射到第1面50a的图像光L1入射到主体部50内，以使得图像光L1在主体部50内传播。出射扩张区域53使沿第2传播方向传播的多个图像光L1C从第2面50b沿相对于第2面50b的法线倾斜的第2倾斜方向射出。该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在光学系统3中，第1倾斜方向和第2倾斜方向相互平行。该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在光学系统3中，出射扩张区域53的衍射构造是位于主体部50的内部的体积全息图元件。该结构能够容易地增大出射扩张区域53的尺寸。

在光学系统3中，导光构件5还具备：辅助扩张区域52，被形成在主体部50，具有衍射构造，该衍射构造使通过入射区域51而在主体部50内沿给定方向传播的图像光L1A在给定方向上分割成沿第1传播方向传播的多个图像光L1B，并前往出射扩张区域53。该结构能够进行向多个不同的方向的、光瞳的扩张。

在光学系统3中，出射扩张区域53的衍射间距为1.23×λ/n以上且10.0×λ/n以下。λ是图像光L1、L1A、L1B、L1C、L2的波长。n是出射扩张区域53的折射率。该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率，并且能够降低由图像光L1的偏振状态引起的光学像（虚像Iv）的画质的下降。

在光学系统3中，出射扩张区域53的至少一部分被包含在从入射区域51向出射扩张区域53的图像光L1的光路上、出射扩张区域53的入射区域51侧的端部。该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在光学系统3中，将导光构件5定位为，使从主体部50射出的图像光L2由光透过性构件（风挡101）反射由此作为光学像（虚像Iv）而引导至视野区域Ac。该结构能够作为平视显示器来利用。

在光学系统3中，光学系统3还具备使图像光L1成为大致准直光而入射到导光构件5的入射区域51的投射光学系统6。该结构能够进一步提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

以上描述的图像显示装置1具备光学系统3和显示元件2。该结构能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

[2.变形例]

本公开的实施方式不限定于上述实施方式。只要能够达成本公开的课题，则上述实施方式能够根据设计等进行各种变更。以下，列举上述实施方式的变形例。以下说明的变形例能够适当组合而应用。

在一变形例中，出射扩张区域53的衍射构造不限定于体积全息图元件（全息衍射光栅），也可以是表面浮雕型的衍射光栅。在表面浮雕型的衍射光栅为反射型的情况下，相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质以及相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质均是导光构件5的主体部50。在表面浮雕型的衍射光栅是透过型的情况下，相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质是导光构件5的主体部50，但相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质例如是空气。无论表面浮雕型的衍射光栅是反射型还是透过型，在设为相对于出射扩张区域53的图像光的入射侧的介质和相对于出射扩张区域53的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，出射扩张区域53的至少一部分只要满足式（1）即可。

图13是表面浮雕型的衍射光栅的概略说明图。特别地，图13的表面浮雕型的衍射光栅是反射型。表面浮雕型的衍射光栅通过周期性地排列的凹凸部55来产生衍射作用。图13的凹凸部55是凹槽。在图13中，Z2轴的方向是表面浮雕型的衍射光栅的厚度方向。X2轴的方向以及Y2轴的方向与Z2轴的方向正交，并且相互正交。X2轴的方向是凹凸部55所延伸的方向。Y2轴的方向是凹凸部55所排列的方向。图13的Gp表示表面浮雕型的衍射光栅的衍射周期（衍射间距）[μm]。图4的出射扩张区域53的衍射周期Gp3可以对应于图13的衍射周期Gp。图4的出射扩张区域53的角度Ga3可以对应于与主体部50的厚度方向正交的面内（XY面内）的相对于Y轴的方向的、图13的表面浮雕型的衍射光栅的X2轴的方向的角度。表面浮雕型的衍射光栅不限定于与导光构件5相同的材料，也可以通过不同的材料来形成。例如可以是，导光构件5的材料为玻璃，表面浮雕型的衍射光栅的材料为紫外线固化树脂。在该情况下，能够通过纳米压印技术来形成表面浮雕型的衍射光栅。另外，在出射扩张区域53的衍射构造为表面浮雕型的衍射光栅的情况下，出射扩张区域53的折射率是形成表面浮雕型的衍射光栅的材料的折射率。

在一变形例中，入射区域51以及辅助扩张区域52的衍射构造不限定于体积全息图元件（全息衍射光栅），可以是表面浮雕型的衍射光栅。在一变形例中，入射区域51以及辅助扩张区域52可以具有半反射镜。导光构件5也可以不具备辅助扩张区域52。即，导光构件5可以不是进行2轴的光瞳扩张而是进行1轴的光瞳扩张的结构。在该情况下，入射区域51改变入射到入射区域51的图像光L1的行进方向，并使其作为图像光L1B而在主体部50内沿第1传播方向传播。出射扩张区域53只要将来自入射区域51的图像光L1B在第1传播方向上分割成沿第2传播方向传播的多个图像光L1C，并从导光构件5射出即可。

在一变形例中，出射扩张区域53的衍射间距为1.36×λ/n以上且3.82×λ/n以下。λ是图像光L1的波长。n是主体部50的折射率。如此，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。特别地，在作为平视显示器来利用的情况下，能够提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在一变形例中，在光学系统3中，比出射角度θ_out大14°以上或满足式（1）的入射角度θ_in的范围包括由与给定平面P1相关并对入射到出射扩张区域53的图像光L1B的两外缘进行规定的副光线的入射角度决定的范围。实际上，图像光L1B大多具有某种程度的扩展，有时在图像光L1B的主光线和副光线中入射到出射扩张区域53的角度会不同。因此，为了进一步提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率，优选为，对于图像光L1B所包括的光线中的全部而言，都比出射角度θ_out大14°以上或满足式（1）。即，通过使得比出射角度θ_out大14°以上或满足式（1）的入射角度θ_in的范围包括由与给定平面P1相关并对入射到出射扩张区域53的图像光L1B的两外缘进行规定的副光线的入射角度决定的范围，从而能针对图像光L1B中包括的光线的全部而降低无用光的产生。如此，能够在视野区域Ac的整体中，进一步提高来自显示元件2的图像光L1的利用效率。

在一变形例中，也可以不一定将导光构件5定位为使从主体部50射出的图像光L2由光透过性构件（风挡101）反射由此作为光学像（虚像Iv）而引导至视野区域Ac。例如，可以将导光构件5定位为与视野区域Ac排列在一条直线上。即，从导光构件5向视野区域Ac的光学路径可以是直线。

在一变形例中，投射光学系统6可以不是单一的光学元件，而是具备第1光学元件以及第2光学元件作为多个光学元件。第1光学元件例如是将负弯月透镜和双凸透镜组合了的接合透镜，第2光学元件是将正弯月透镜和负弯月透镜组合了的接合透镜。另外，光学系统3也可以不具备投射光学系统6。

在一变形例中，投射光学系统6和入射区域51不需要一定排列在一条直线上。即，从投射光学系统6向入射区域51的图像光L1的光路未必是直线。例如，可以使来自投射光学系统6的图像光L1由反射板反射从而入射到入射区域51。在该情况下，从投射光学系统6向入射区域51的图像光L1的光路不是直线状，而例如成为L字状。

在一变形例中，图像显示装置1可以具备与图像光L1中包括的光的波长分别对应的多个导光构件5。由此，能够向用户提供彩色图像。

在一变形例中，图像显示装置1不限于汽车中使用的平视显示器，例如还能够应用于二轮车、电车、飞机、建设机械以及船舶等汽车以外的移动体。进一步地，图像显示装置1不限于在移动体中使用，例如，也可以在娱乐设施中使用，也可以作为头戴式显示器（HMD：Head Mounted Display）等可穿戴终端、医疗设备或定置型的装置来使用。

此外，在上述的各实施方式中，说明了用于对作为光学像的一个例子的虚像Iv进行视觉确认的显示元件2以及光学系统3。在本实施方式中，显示元件2使得进行视觉确认的光学像不限于虚像Iv，例如也可以是实像。例如，显示元件2也可以构成为，通过与上述同样的光瞳扩张型的光学系统3来使实像在风挡101等光透过性构件与用户D之间成像。这样的实像的显示例如在娱乐用途方面是有用的。在使这样的实像作为光学像来视觉确认的情况下，也与上述的虚像Iv的情况同样地，关于亮度不均而考虑导光构件5中的偏振光的影响。根据本公开的显示元件2以及光学系统3，与上述各实施方式同样地通过偏振光状态的控制来抑制亮度不均，能够抑制实像的画质的变动。

[3.方式]

如根据上述实施方式以及变形例而清楚的那样，本公开包括下述的方式。以下，仅为了对与实施方式的对应关系进行明示，对附图标记加上括弧来进行了标注。

第1方式是光学系统（3），具备：导光构件（5），将从显示元件（2）输出的形成图像的图像光（L1）作为光学像（虚像Iv）而引导至用户（D）的视野区域（Ac）。所述导光构件（5）具备：板状的主体部（50）；入射区域（51），被形成在所述主体部（50），使所述图像光（L1）入射到所述主体部（50）内，以使得所述图像光（L1）在所述主体部（50）内传播；和出射扩张区域（53），被形成在所述主体部（50），具有衍射构造，该衍射构造使沿与所述主体部（50）的厚度方向交叉的第1传播方向传播的图像光（L1B）在所述第1传播方向上分割成沿与所述第1传播方向交叉的第2传播方向传播的多个图像光（L1C），并从所述导光构件（5）射出。所述出射扩张区域（53）的至少一部分在设为相对于所述出射扩张区域（53）的所述图像光（L1B）的入射侧的介质和相对于所述出射扩张区域（53）的所述图像光（L1B）的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，包括所述出射扩张区域（53）的法线（N）的给定平面（P1）内的从所述出射扩张区域（53）以最高的衍射效率射出的所述图像光（L1C）的出射角度θ_out为15°以上且45°以下，所述给定平面（P1）内的入射到所述出射扩张区域（53）的所述图像光（LIB）的入射角度θ_in比所述出射角度θ_out大14°以上。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第2方式是基于第1方式的光学系统（3）。在该方式中，满足下式（1）。

[数学式12]

该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第3方式是基于第1或第2方式的光学系统（3）。在该方式中，满足下式（2）。

[数学式13]

该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第4方式是基于第1～第3方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述主体部（50）具有厚度方向的第1面（50a）以及第2面（50b）。所述入射区域（51）使从相对于所述第1面（50a）的法线倾斜的第1倾斜方向入射到所述第1面（50a）的所述图像光（L1）入射到所述主体部（50）内，以使得所述图像光（L1）在所述主体部（50）内传播。所述出射扩张区域（53）使沿所述第2传播方向传播的所述多个图像光（L1C）从所述第2面（50b）沿相对于所述第2面（50b）的法线倾斜的第2倾斜方向射出。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第5方式是基于第4方式的光学系统（3）。在该方式中，所述第1倾斜方向和所述第2倾斜方向相互平行。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第6方式是基于第1～第5方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述出射扩张区域（53）的所述衍射构造是位于所述主体部（50）的内部的体积全息图元件。该方式能够容易地增大出射扩张区域（53）的尺寸。

第7方式是基于第1～第6方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述导光构件（5）还具备：辅助扩张区域（52），被形成在所述主体部（50），并且具有衍射构造，该衍射构造使通过所述入射区域（51）而在所述主体部（50）内沿给定方向传播的所述图像光（L1A）在所述给定方向上分割成沿所述第1传播方向传播的多个图像光（L1B），并前往所述出射扩张区域（53）。该方式能够进行向多个不同的方向的光瞳的扩张。

第8方式是基于第1～第7方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述出射扩张区域（53）的衍射间距为1.23×λ/n以上且10.0×λ/n以下。λ是所述图像光（L1、L1A、L1B、L1C、L2）的波长。n是所述出射扩张区域（53）的折射率。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率，并且能够降低由图像光（L1）的偏振状态引起的光学像（虚像Iv）的画质的下降。

第9方式是基于第1～第8方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述出射扩张区域（53）的衍射间距为1.36×λ/n以上且3.82×λ/n以下。λ是所述图像光（L1、L1A、L1B、L1C、L2）的波长。n是所述出射扩张区域（53）的折射率。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第10方式是基于第1～第9的方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，比所述出射角度θ_out大14°以上的所述入射角度θ_in的范围包括由与所述给定平面（P1）相关并对入射到所述出射扩张区域（53）的所述图像光的两外缘进行规定的副光线的入射角度决定的范围。该方式能够进一步提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第11方式是基于第1～第10方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述出射扩张区域（53）的所述至少一部分被包含在从所述入射区域（51）向所述出射扩张区域（53）的所述图像光（L1）的光路上、所述出射扩张区域（53）的所述入射区域（51）侧的端部。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第12方式是基于第1～第11方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，将所述导光构件（5）定位为，使从所述主体部（50）射出的所述图像光（L2）由光透过性构件（风挡101）反射由此作为所述光学像（虚像Iv）而引导至所述视野区域（Ac）。该方式能够作为平视显示器来利用。

第13方式是基于第1～第12方式中的任一项的光学系统（3）。在该方式中，所述光学系统（3）还具备：投射光学系统（6），使所述图像光（L1）成为大致准直光而入射到所述导光构件（5）的所述入射区域（51）。该方式能够进一步提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

第14方式是图像显示装置（1），具备基于第1～第13方式中的任一项的光学系统（3）和所述显示元件（2）。该方式能够提高来自显示元件（2）的图像光（L1）的利用效率。

上述的第2～第13方式不是必需的。

如以上那样，作为本公开中的技术的例示，说明了实施方式。为此，提供了附图以及详细的说明。因此，在附图以及详细的说明中记载的构成要素中，不仅包括为了解决课题所必需的构成要素，而且还可能为了例示上述技术而包括并非为了解决课题所必需的构成要素。因此，不应凭这些非必需的构成要素被记载于附图、详细的说明而直接做出这些非必需的构成要素是必需的这样的认定。此外，上述的实施方式用于对本公开中的技术进行例示，所以能够在权利要求书或其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。

产业上的可利用性

本公开能够应用于光学系统以及图像显示装置。具体地，本公开能够应用于：用于将来自显示元件的图像光作为光学像而引导至用户的视野区域的光学系统以及具备该光学系统的图像显示装置。

附图标记说明

1图像显示装置

2显示元件

3光学系统

5导光构件

50主体部

50a 第1面

50b 第2面

51入射区域

52辅助扩张区域

53出射扩张区域

6投射光学系统

100移动体

101风挡（光透过性构件）

Ac 视野区域

D 用户

Iv 虚像（光学像）

L1、L1A、L1B、L1C、L2 图像光

N 法线

n 折射率

P1 给定平面

θ_in 入射角度

θ_out 出射角度

λ 波长。

Claims (14)

1.一种光学系统，具备：

导光构件，将从显示元件输出的形成图像的图像光作为光学像而引导至用户的视野区域，

所述导光构件具备：

板状的主体部；

入射区域，被形成在所述主体部，使所述图像光入射到所述主体部内，以使得所述图像光在所述主体部内传播；和

出射扩张区域，被形成在所述主体部，具有衍射构造，该衍射构造使沿与所述主体部的厚度方向交叉的第1传播方向传播的图像光在所述第1传播方向上分割成沿与所述第1传播方向交叉的第2传播方向传播的多个图像光，并从所述导光构件射出，

所述出射扩张区域的至少一部分在设为相对于所述出射扩张区域的图像光的入射侧的介质和相对于所述出射扩张区域的图像光的出射侧的介质的折射率彼此相等的情况下，

包括所述出射扩张区域的法线的给定平面内的从所述出射扩张区域以最高的衍射效率射出的所述图像光的出射角度θ_out为15°以上且45°以下，

所述给定平面内的入射到所述出射扩张区域的所述图像光的入射角度θ_in比所述出射角度θ_out大14°以上。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述光学系统满足下式（1）：

[数学式1]

。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述光学系统满足下式（2）：

[数学式2]

。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述主体部具有厚度方向的第1面以及第2面，

所述入射区域使从相对于所述第1面的法线倾斜的第1倾斜方向入射到所述第1面的所述图像光入射到所述主体部内，以使得所述图像光在所述主体部内传播，

所述出射扩张区域使沿所述第2传播方向传播的所述多个图像光从所述第2面沿相对于所述第2面的法线倾斜的第2倾斜方向射出。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，

所述第1倾斜方向和所述第2倾斜方向相互平行。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

所述出射扩张区域的所述衍射构造是位于所述主体部的内部的体积全息图元件。

7.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

所述光学系统还具备：辅助扩张区域，被形成在所述主体部，具有衍射构造，该衍射构造使通过所述入射区域而在所述主体部内沿给定方向传播的所述图像光在所述给定方向上分割成沿所述第1传播方向传播的多个图像光，并前往所述出射扩张区域。

8.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

所述出射扩张区域的衍射间距为1.23×λ/n以上且10.0×λ/n以下，

λ是所述图像光的波长，

n是所述出射扩张区域的折射率。

9.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

所述出射扩张区域的衍射间距为1.36×λ/n以上且3.82×λ/n以下，

λ是所述图像光的波长，

n是所述出射扩张区域的折射率。

10.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

比所述出射角度θ_out大14°以上的所述入射角度θ_in的范围包括由与所述给定平面相关并对入射到所述出射扩张区域的所述图像光的两外缘进行规定的副光线的入射角度决定的范围。

11.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

所述出射扩张区域的所述至少一部分被包含在从所述入射区域向所述出射扩张区域的所述图像光的光路上、所述出射扩张区域的所述入射区域侧的端部。

12.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

将所述导光构件定位为，使从所述主体部射出的所述图像光由光透过性构件反射由此作为所述光学像而引导至所述视野区域。

13.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，其中，

还具备：投射光学系统，使所述图像光成为大致准直光而入射到所述导光构件的所述入射区域。

14.一种图像显示装置，具备：

权利要求1～5中的任一项所述的光学系统；和

所述显示元件。