專利名稱：圖像合成器和圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠使得用戶根據(jù)來自前方如外界的光線和疊加在第一圖像上的顯示圖像的光來觀看圖像的圖像合成器，以及利用該圖像合成器的圖像顯示裝置，如頭戴式顯示裝置。
背景技術(shù)：
在過去如日本專利申請公開JP2000-352689、日本專利申請公開JP2001-264682和日本專利申請公開JP2000-121989中揭示的圖像顯示裝置已知的是所謂的透明式頭戴圖像顯示裝置(頭戴式顯示器)，允許用戶在觀察外界狀態(tài)的同時(shí)觀看疊置在外界視景上的顯示圖像。另外，日本專利申請公開JP2001-264682不僅揭示了透明式頭戴圖像顯示裝置，而且還揭示了一種不用作透明式裝置的圖像顯示裝置(即，只有來自圖像顯示元件的光導(dǎo)入用戶的眼睛，來自外界等的其它光線不疊加到該來自圖像顯示元件的光線上)，同時(shí)基本上具有與這種透明式裝置相同的結(jié)構(gòu)；還揭示了一個(gè)將該圖像顯示裝置包含在便攜式電話的懸掛部分的例子。
在這些圖像顯示裝置中，通過利用反射式全息光學(xué)元件(在本說明書中的某些情況下全息光學(xué)元件可以簡稱為“HOE”)實(shí)現(xiàn)尺寸和重量的減小。這種反射式全息光學(xué)元件就波長選擇性而言很優(yōu)越，并且可以選擇性地只衍射和反射極有限的波長區(qū)域中的光線。因此在構(gòu)成透明式圖像顯示裝置中的情況下，從外界透射入的光線等被反射式全息光學(xué)元件損失的光量可以顯著地減少。
另外，在這些圖像顯示裝置中，形成圖像合成器的出射光瞳使得該光瞳在使用狀態(tài)下基本上與用戶眼睛的瞳孔重合，并且制造的反射式全息光學(xué)元件，即使得用于在制造該元件期間曝光反射式全息光學(xué)元件的兩個(gè)光源中的一個(gè)光源(參考光源)的位置基本上與圖像合成器的出射光瞳的位置重合的反射式全息光學(xué)元件用作反射式全息光學(xué)元件(參見日本專利申請公開JP2000-352689中的第25段、日本專利申請公開JP2001-264682的第37段和日本專利申請公開JP2000-121989中的第27段)。在這些專利申請中描述了下列效果即，通過利用這樣制造的反射式全息光學(xué)元件，即制造中參考光源的位置設(shè)置在一個(gè)使得制造中的曝光光束與使用中的觀察光束基本上重合的位置，以至于使用中反射式全息光學(xué)元件的衍射效率可以提高到最大程度(日本專利申請公開2000-352689中的第25段、日本專利申請公開JP2001-264682的第37段和日本專利申請公開JP2000-121989中的第27段)。
通過使兩束相干光干涉并在乳膠等上記錄干涉條紋制造反射式全息光學(xué)元件。另外，當(dāng)使播放照明光以同樣的波長從兩束光中一束的光源位置入射時(shí)，有這樣的衍射效果，例如衍射光柵在記錄的干涉條紋中的衍射效果，以至于產(chǎn)生相當(dāng)于其它入射光的波前。
具體地說，當(dāng)記錄干涉條紋時(shí)，其中曝光時(shí)在一束光中產(chǎn)生有一個(gè)自由曲面的波前，在另一束光中形成純球面波等，可以由簡單的照明產(chǎn)生具有自由復(fù)曲面的波前。
因而反射式全息光學(xué)元件被賦予具有這種自由曲面的相位變換作用；因此，尤其是如果把被賦予依賴于在全息圖表面上的位置的三階或更高階相位變換作用的反射式全息光學(xué)元件用在圖像合成器中，則可以獲得各類像差得到良好校正的優(yōu)質(zhì)圖像，即使其它表面都構(gòu)造成平面或球面等也是如此。用在上述各個(gè)專利公開中所述圖像合成器的反射式全息光學(xué)元件具有依賴于在全息圖表面上的位置的三階或更高階相位變換作用。
當(dāng)制造反射式全息光學(xué)元件時(shí)，實(shí)際上需要制作等同于設(shè)計(jì)時(shí)定義的相位變換作用的波前。
可用于此的方法包括利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖(CGH)制作波前的方法以及利用非球面透鏡的方法。但是，利用CGH的方法(與其它方法相比)有下列缺點(diǎn)即，非球面相位項(xiàng)的階數(shù)受量化誤差影響的限制。同時(shí)，利用非球面透鏡的方法(與其它方法相比)有下列缺點(diǎn)即，即使設(shè)計(jì)簡單，在實(shí)際制作中也需要對精度有所折中。因此，利用多個(gè)球面透鏡的設(shè)計(jì)是目前比較實(shí)際的。
圖21表示日本專利申請公開JP2000-121989中描述的一種全息曝光光學(xué)系統(tǒng)。構(gòu)成該曝光光學(xué)系統(tǒng)的主曝光透鏡由五個(gè)球面透鏡構(gòu)成，并具有帶四個(gè)軸的極復(fù)雜的配置。另外，圖21中第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的位置基本上與圖像合成器出射光瞳的位置重合。
在如上所述的傳統(tǒng)圖像顯示裝置中，如同從圖21中所見，在對全息圖曝光時(shí)需要產(chǎn)生一種利用極復(fù)雜的偏心透鏡的非球面波。在該傳統(tǒng)的圖像顯示裝置中，雖然可以說對全息圖曝光時(shí)采用容易獲得所需精度的球面透鏡，但所需的部件數(shù)量很多；因此，各個(gè)部件的容限極為嚴(yán)格，并且因?yàn)檩S向偏心很大(四個(gè)軸)，所以光學(xué)調(diào)節(jié)很難。因此，必須通過支撐透鏡的配件的精度等唯一地限定容限。因此難以制作，并且也不得不在成品的精度方面有所折中。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到這種情況而設(shè)計(jì)了本發(fā)明；本發(fā)明的目的在于提供一種圖像合成器和利用該圖像合成器的圖像顯示裝置，它使得能夠簡化用于曝光全息圖的曝光光學(xué)系統(tǒng)，并能夠利用反射式全息光學(xué)元件減小曝光光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重量，并因此使得系統(tǒng)易于制造，能夠獲得理想的光學(xué)特性和具有良好精度。
作為本發(fā)明者的研究結(jié)果，可以斷定用于制作上述傳統(tǒng)圖像顯示裝置中反射式全息光學(xué)元件的曝光光學(xué)系統(tǒng)極為復(fù)雜的原因如下即，由于定義反射式全息光學(xué)元件的參考光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)上的光源)的位置基本上與圖像合成器出射光瞳的位置重合，該參考光源位于接近反射式全息光學(xué)元件的位置。另外，還可以斷定，用于制作反射式全息光學(xué)元件的曝光光學(xué)系統(tǒng)變得比較簡單，因?yàn)槎x反射式全息光學(xué)元件的參考光源設(shè)置在位于遠(yuǎn)離反射式全息光學(xué)元件的位置。這一點(diǎn)將在涉及工作結(jié)構(gòu)的部分詳細(xì)描述。
因此，當(dāng)Rd為定義反射式全息光學(xué)元件的參考光源與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)，并且Pd為圖像合成器的出射光瞳與全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)時(shí)，如果距離Rd設(shè)置為基本上大于距離Pd的值，即，如果定義反射式全息光學(xué)元件的參考光源的位置設(shè)置在比圖像合成器出射光瞳位置遠(yuǎn)的位置，則用于制作反射式全息光學(xué)元件的曝光光學(xué)系統(tǒng)變得比上述傳統(tǒng)圖像顯示裝置簡單；因此易于制作，并且可以以良好的精度獲得理想的光學(xué)特性，如各種像差得到校正的高性能圖像聚焦作用。具體地說，為了更進(jìn)一步簡化曝光光學(xué)系統(tǒng)，希望距離Rd是距離Pd的兩倍或更大。另外，為了更進(jìn)一步簡化曝光光學(xué)系統(tǒng)，希望距離Rd為100mm或更大。
為了解決上述問題，本發(fā)明以本發(fā)明者獲得的這種研究成果為知識背景。
具體地說，構(gòu)成第一發(fā)明的圖像合成器是這樣一種圖像合成器，即，其中安裝了反射式全息光學(xué)元件，來自圖像顯示部件的光與穿過主體的光疊加，該圖像合成器的特征在于反射式全息光學(xué)元件具有依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用，并且距離Rd基本上大于距離Pd，其中Rd為播放期間(制作該元件期間用于曝光反射式全息光學(xué)元件的兩個(gè)光源中)位于觀察者眼睛一側(cè)上的光源與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)，Pd為圖像合成器的出射光瞳與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)。
構(gòu)成第二發(fā)明的圖像合成器基于第一發(fā)明，其特征在于距離Rd是距離Pd的兩倍或更大。
構(gòu)成第三發(fā)明的圖像合成器基于第一發(fā)明或第二發(fā)明，其特征在于距離Rd為100mm或更大。
構(gòu)成第四發(fā)明的圖像顯示裝置包括第一至第三發(fā)明中任意所述的圖像合成器，其特征在于使用中用戶身上安裝至少包含圖像合成器的部分。
構(gòu)成第五發(fā)明的圖像顯示裝置是這樣一種圖像顯示裝置，即包括圖像顯示部件和光傳導(dǎo)部分的圖像顯示裝置，其中光傳導(dǎo)部分把來自圖像顯示部件的光導(dǎo)入用戶的眼睛，該圖像顯示裝置的特征在于光傳導(dǎo)部分具有反射式全息光學(xué)元件，該反射式全息光學(xué)元件具有依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用，并且距離Rd基本上大于距離Pd，其中Rd為播放期間(制作該元件期間用于曝光反射式全息光學(xué)元件的兩個(gè)光源中)位于觀察者眼睛一側(cè)上的光源與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)，Pd為圖像合成器的出射光瞳與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)。
構(gòu)成第六發(fā)明的圖像顯示裝置基于第五發(fā)明，其特征在于距離Rd是距離Pd的兩倍或更大。
構(gòu)成第七發(fā)明的圖像顯示裝置基于第五發(fā)明或第六發(fā)明，其特征在于距離Rd為100mm或更大。


圖1是表示構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，且(以示意圖形式)表示該圖像顯示裝置中的光線路徑；圖2是表示限定全息光學(xué)元件的兩個(gè)光源的坐標(biāo)系統(tǒng)簡圖；圖3是基于構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例的圖像顯示裝置設(shè)計(jì)值的橫向像差簡圖，(a)表示視角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示視角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示視角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示視角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示視角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。每個(gè)附圖的左側(cè)表示Y軸方向的橫向像差，每個(gè)附圖的右側(cè)表示X軸方向的橫向像差。另外，實(shí)線表示波長為521.36nm的光線，虛線表示波長為531.36nm的光線，點(diǎn)劃線表示波長為511.36nm的光線；圖4是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖5是圖4中所示光學(xué)系統(tǒng)中的棱鏡的放大簡圖；圖6是表示利用圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的全息曝光設(shè)備的一個(gè)實(shí)例的示意性結(jié)構(gòu)簡圖；圖7是圖4中所示光學(xué)系統(tǒng)的剩余波前像差簡圖；圖8是構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例的圖像顯示裝置的橫向像差簡圖，該圖像顯示裝置結(jié)合了利用圖4所示光學(xué)系統(tǒng)曝光的反射式全息光學(xué)元件。(a)表示視角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示視角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示視角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示視角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示視角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。每個(gè)附圖的左側(cè)表示Y軸方向的橫向像差，每個(gè)附圖的右側(cè)表示X軸方向的橫向像差。另外，實(shí)線表示波長為521.36nm的光線，虛線表示波長為531.36nm的光線，點(diǎn)劃線表示波長為511.36nm的光線。關(guān)于垂直軸，如圖3所示，軸的上端為0.0250，下端為-0.250；
圖9是表示對于構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例的圖像顯示裝置，原始設(shè)計(jì)值情形中的畸變與結(jié)合了利用圖4中所示光學(xué)系統(tǒng)曝光的反射式全息光學(xué)元件的情形之間的比較。虛線表示像元的大小，連結(jié)黑圓圈的線條表示播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值，連結(jié)白方塊的線條表示曝光之后利用HOE的播放系統(tǒng)的值；圖10是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第二具體實(shí)例的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖11是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第三具體實(shí)例的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖12是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第四具體實(shí)例的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖13是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第五具體實(shí)例的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖14是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的第六具體實(shí)例的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖15是表示構(gòu)成本發(fā)明第二工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，且示意性表示該圖像顯示裝置中的光線路徑；圖16是基于構(gòu)成本發(fā)明第二工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置設(shè)計(jì)值的橫向像差簡圖，(a)表示視角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示視角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示視角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示視角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示視角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。每個(gè)附圖的左側(cè)表示Y軸方向的橫向像差，每個(gè)附圖的右側(cè)表示X軸方向的橫向像差。另外，實(shí)線表示波長為461.259nm的光線，虛線表示波長為471.259nm的光線，點(diǎn)劃線表示波長為451.259nm的光線；關(guān)于垂直軸，如圖3所示，軸的上端為0.0250，下端為-0.250；圖17是表示用于對構(gòu)成本發(fā)明第二工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置中的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖；圖18是圖17中所示光學(xué)系統(tǒng)的剩余波前像差簡圖；圖19是構(gòu)成本發(fā)明第二工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的橫向像差簡圖，該圖像顯示裝置結(jié)合了利用圖17所示光學(xué)系統(tǒng)曝光的反射式全息光學(xué)元件。(a)表示視角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示視角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示視角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示視角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示視角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。每個(gè)附圖的左側(cè)表示Y軸方向的橫向像差，每個(gè)附圖的右側(cè)表示X軸方向的橫向像差。另外，實(shí)線表示波長為461.259nm的光線，虛線表示波長為471.259nm的光線，點(diǎn)劃線表示波長為451.259nm的光線。關(guān)于垂直軸，如圖3所示，軸的上端為0.0250，下端為-0.250；圖20是表示對于構(gòu)成本發(fā)明第二工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置，原始設(shè)計(jì)值情形中的畸變與結(jié)合了利用圖17中所示光學(xué)系統(tǒng)曝光的反射式全息光學(xué)元件的情形之間的比較。虛線表示像元的大小，連結(jié)黑圓圈的線條表示播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值，連結(jié)白方塊的線條表示曝光之后利用HOE的播放系統(tǒng)的值；圖21是表示用于對傳統(tǒng)圖像顯示裝置的反射式全息光學(xué)元件曝光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的簡圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖描述構(gòu)成本發(fā)明工作結(jié)構(gòu)的圖像合成器和圖像顯示裝置。
圖1是構(gòu)成本發(fā)明第一工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，且(以示意圖形式)表示該圖像顯示裝置中的光線(只是來自圖像顯示元件2的光線)路徑。
此處，如圖1所示地限定相互垂直的X軸、Y軸和Z軸。具體地說，圖1中紙平面的左右方向取作Z軸，Z坐標(biāo)值增大的方向定義為“右”。圖1中紙平面中的垂直方向取作Y軸，Y坐標(biāo)值增大的方向定義為“上”。圖1中垂直于紙平面的方向取作X軸，系統(tǒng)為右手系統(tǒng)，即圖1中從紙平面向內(nèi)的方向取作X坐標(biāo)值增大的方向。另外，也可以使Y軸方向與實(shí)際垂直方向重合，或者可以是其它某些合適的方向。這些定義與后面描述的圖15也相同。
本工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置包括圖像合成器1和圖像顯示元件2。
在本工作結(jié)構(gòu)中，透射式LCD用作圖像顯示元件2。用從LED3和反射鏡4如拋物面鏡組成的光源發(fā)出的光源光對圖像顯示元件2照明。對光源光進(jìn)行空間光調(diào)制，并且透射表示顯示圖像的光。另外，無庸贅述，也可以利用其它一些元件如反射式LCD或使用自發(fā)光型元件例如有機(jī)電致發(fā)光元件作為圖像顯示元件2。
圖像合成器1包括以平行平面板形式由光學(xué)材料如玻璃或塑料構(gòu)成的板式部分5、和由光學(xué)材料如玻璃或塑料構(gòu)成的光導(dǎo)部分11，光導(dǎo)部分11把來自圖像顯示元件2的光導(dǎo)向板式部分5。板式部分5不限于平行平面板；例如，該部分可以具有用于校正用戶視覺敏銳度的光功率。在該情況下，例如Z軸方向板式部分5兩個(gè)表面5a和5b中的至少一個(gè)表面構(gòu)造成曲面。這些方面在后面描述的各個(gè)工作結(jié)構(gòu)中也相同。另外，板式部分5還在圖1中向下延伸；但圖中被省去。光導(dǎo)部分11實(shí)質(zhì)上形成為三棱鏡的形狀，具有來自圖像顯示元件的光入射到其上的曲面組成的入射面11c、反射所有從入射面11c入射的光的平面表面組成的反射面11b、以及由發(fā)出被反射面11b反射的光并使該光入射到板式部分5的表面5a上部(圖1)附近的曲面組成的發(fā)射面11a。
板式部分5通過支撐件如框架(圖中未示出)以與眼鏡片相同的方式安置在用戶頭上，并且位于用戶眼睛(圖中未示出)的前方。圖1中，P表示從圖像合成器1的圖像顯示元件2發(fā)出的光的出射光瞳，P0表示出射光瞳P的中心。圖像合成器1安置在用戶身上，使得該出射光瞳P基本上與用戶眼睛的瞳孔重合。在圖1中，Z軸方向與板式部分5的厚度方向相同。板式部分5的眼睛側(cè)表面5a和對側(cè)表面5b平行于XY平面。另外，雖然圖中未示出，但LED3、反射鏡4、圖像顯示元件2和光導(dǎo)部分11也由上述支撐件支撐。結(jié)果，圖像顯示元件2設(shè)置在處于圖1中紙平面內(nèi)板式部分5上方左側(cè)的位置，以至于不妨礙用戶對外界的觀察，并且使得圖像顯示元件在用戶安裝圖像顯示裝置時(shí)不產(chǎn)生任何障礙。
當(dāng)然，也可以在其它某些合適的位置設(shè)置圖像顯示元件2，并且通過中繼光學(xué)系統(tǒng)將顯示圖像導(dǎo)入圖像顯示元件2的位置；另外，也可以利用掃描光學(xué)系統(tǒng)在該位置形成圖像。這些方面在后面描述的各個(gè)工作結(jié)構(gòu)中也相同。
而且，在圖1中，點(diǎn)A1和A2分別表示圖中紙平面內(nèi)圖像顯示元件2顯示部分的兩個(gè)端部的位置。另外，點(diǎn)A0表示該顯示部分的中心。
圖像合成器1構(gòu)造成使得從圖像顯示元件2發(fā)出的光疊加到透射過板式部分5的光(以下稱作“外界光”)上，從而從板式部分5的正面穿過板式部分5的厚度d(即，從而從表面5b入射并從表面5a出射)，并再導(dǎo)入用戶眼睛。
在本工作結(jié)構(gòu)中，反射式全息光學(xué)元件(反射式HOE)6設(shè)置在板式部分5之內(nèi)面對用戶眼睛的位置附近。在本工作結(jié)構(gòu)中，反射式HOE6在順時(shí)針方向以特定的角度相對于圖1中所示的表面5a和5b傾斜。另外，反射面(反射鏡)5c設(shè)置在板式部分5的內(nèi)部面對板式部分5內(nèi)光導(dǎo)部分11的表面11a的位置附近。如圖1所示，反射面5c相對于表面5a和5b在逆時(shí)針方向以特定的角度傾斜。另外，來自圖像顯示元件2的光不通過板式部分5相對于圖1中的反射面5c傾斜地位于上方的部分；因此，該部分也可以切去。在該情況下，反射面5c設(shè)置在板式部分5的表面上。
在本工作結(jié)構(gòu)中，由于用和板式部分5相同的材料組成的一小部分(圖1中板式部分5中反射式HOE 6右側(cè)部分中的小部分)作為基底，反射式HOE 6制作在該部分上。之后，將該小部分5d放置在形成板式部分5的模具框架中，并且將熔融態(tài)的板式部分5的材料貫注到模具框架中，并再通過將該材料固化而將反射式HOE 6設(shè)置在板式部分5的內(nèi)側(cè)。當(dāng)然，用于將反射式HOE 6設(shè)置在板式部分5內(nèi)部的方法不限于該方法。
來自圖像顯示元件2的光束波長具有包括該反射式HOE 6的衍射效率峰值波長的波長寬度，該波長寬度的主要部分基本上與衍射效率峰值的波長重合，使得來自圖像顯示元件2的光被該反射式HOE 6反射。另一方面，反射式HOE6不偏轉(zhuǎn)地透射外界光(圖中未示出)。另外，希望把具有高波長選擇性的反射式HOE用作反射式HOE6，使得與外界光的干涉盡可能的小。如果把對具有表示R、G和B各種顏色的三個(gè)窄波長區(qū)域的光具有相應(yīng)選擇性的反射式HOE用作反射式HOE 6，則用戶觀察到的圖像可以是彩色的。
如圖1所示，反射式HOE 6具有向觀察者的瞳孔反射來自圖像顯示元件2的光的特性，并且還具有依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用，從而具有校正各種像差的圖像聚焦作用。反射式HOE6可以是平面的反射式HOE，或者是具有曲面的反射式HOE。在把具有曲面的反射式HOE用作反射式HOE 6的情況下，如果反射式HOE設(shè)置為使得曲率中心位于用戶的眼睛一側(cè)，則在視角較大的情況下由反射式HOE6產(chǎn)生的根據(jù)視角的像差漲落量較??；因此，這正是希望的。
例如，光聚合物、光致抗蝕劑、光致變色材料、光致二向色材料、銀鹽乳膠、明膠重鉻酸酯(gelatin bichromate)、明膠重鉻酸酯(gelatindichromate)、塑料、鐵電材料、磁光材料、電光材料、非晶態(tài)半導(dǎo)體、光折射材料等可以用作用來構(gòu)造反射式HOE6的全息光敏材料。另外，反射式HOE6可以通過利用例如圖6所示類型的全息曝光設(shè)備(如后文所述)用來自兩個(gè)光源的光同時(shí)照射這種材料而制作。
穿過圖像顯示元件2的顯示部分上任意點(diǎn)的光(顯示圖像的光)從光導(dǎo)部分11的入射面11c進(jìn)入光導(dǎo)部分11的內(nèi)部。該光被光導(dǎo)部分11的反射面11b全反射，并從光導(dǎo)部分11的發(fā)射面11a出射，使得該光從板式部分5的表面5a的區(qū)域R0進(jìn)入板式部分5的內(nèi)部。從區(qū)域R0進(jìn)入板式部分5內(nèi)部的光被反射面5c反射，再以大于臨界角的入射角入射到板式部分5的表面5a的區(qū)域R1上。該光以大于臨界角的入射角入射到板式部分5的表面5b的區(qū)域R2，使得該光被區(qū)域R2全反射。該光再以大于臨界角的入射角進(jìn)一步入射到板式部分5的表面5a的區(qū)域R3，使得該光被區(qū)域R3全反射。該光再以大于臨界角的入射角進(jìn)一步入射到板式部分5的表面5b的區(qū)域R4，使得該光被區(qū)域R4全反射。該光再以大于臨界角的入射角進(jìn)一步入射到板式部分5的表面5a的區(qū)域R5，使得該光被區(qū)域R5全反射，然后，該光入射到反射式HOE 6上。在該情況下，該光經(jīng)受反射式HOE 6的反射和衍射效應(yīng)以及圖像聚焦效應(yīng)，圖像聚焦效應(yīng)由依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用而引起。隨后，該此光從板式部分5的表面5a的區(qū)域R6發(fā)射到板式部分5的外部。在該情況下，離開圖像顯示元件2相同位置的光入射到用戶眼睛的瞳孔上，眼睛的瞳孔處于出射光瞳P上，使得在離開出射光瞳P無限遠(yuǎn)距離或特定距離(在后面描述的具體實(shí)例中為1m；在后面敘述的其他工作結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例中該距離也相同)處形成放大的虛像。
根據(jù)LED3的發(fā)射光譜特性和反射式HOE 6的波長選擇性，在從圖像顯示元件2發(fā)出并被反射式HOE 6衍射和反射之后到達(dá)用戶眼睛的光通常只具有單個(gè)波長區(qū)域成分。不過，例如在使用白色LED作為LED3、使用彩色反射式HOE作為反射式HOE 6的情況下，該光具有多個(gè)離散的單獨(dú)波長區(qū)域成分。
而且，在本工作結(jié)構(gòu)中用作反射式HOE6的反射式HOE使得距離Rd設(shè)定為基本上大于距離Pd，其中Rd是播放期間(制作該反射式HOE期間用于對反射式HOE6曝光的兩個(gè)光源(對應(yīng)于單個(gè)波長區(qū)域或多個(gè)單獨(dú)波長區(qū)域中的單個(gè)單獨(dú)波長區(qū)域)中)位于觀察者眼睛一側(cè)上的光源和反射式HOE6的全息平面之間的距離，Pd是圖像合成器的出射光瞳和反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)。希望距離Rd是距離Pd的兩倍或更大。另外，希望距離Rd為100mm或更大。
此外，距離Rd不必限于實(shí)際本光源設(shè)置的距離和全息平面的距離；例如，在實(shí)際本光源和全息平面之間設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)的情況下，該距離對應(yīng)于從與光源共軛的位置到全息平面的距離。另外，在利用聚光透鏡或空間濾波器等光源形成準(zhǔn)二階光源的情況下，該距離對應(yīng)于從該準(zhǔn)二階光源到全息平面的距離。這些事實(shí)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的內(nèi)容。
在本工作結(jié)構(gòu)中，距離Rd基本上大于距離Pd；因此，用來制作反射式全息光學(xué)元件的曝光光學(xué)系統(tǒng)比上述傳統(tǒng)圖像顯示裝置中的曝光光學(xué)系統(tǒng)要簡單；從而便于制作，而且能夠以良好的精度得到希望的光學(xué)性質(zhì)，例如在其中校正了各種類型像差的高性能的圖像聚焦效應(yīng)。這一點(diǎn)將在后面結(jié)合本工作結(jié)構(gòu)的第一到第六具體實(shí)例(在后面描述)的研究進(jìn)行描述。
此處，將參考圖1對第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例進(jìn)行描述。在該具體實(shí)例的設(shè)計(jì)中，把本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)公知的美國Optical ResearchAssociates公司制造的Code V(商品名稱)用作設(shè)計(jì)方案。在該情況下，從圖像顯示元件2顯示部分的中心A0發(fā)出并穿過出射光瞳P的中心P0的光線的光路定義為整個(gè)光學(xué)裝置的光軸。在該具體實(shí)例中，光軸不是單一的直線，而是具有連接互相傾斜的線段片段的形狀。這些方面在后面描述的第二到第六各個(gè)具體實(shí)例以及第二工作結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例中也一樣。
下面描述該第一具體實(shí)例的各種光學(xué)量。
出射光瞳P的直徑為3mm。圖中紙平面內(nèi)向上方向的視場角為5°。圖中紙平面內(nèi)向下方向的視場角為-5°。紙頁深度方向上的視場角為±6.75°。圖中紙平面內(nèi)屏幕的大小(即點(diǎn)A1和點(diǎn)A2之間的長度)為3.6mm。紙頁深度方向上屏幕的大小為4.8mm。板式部分5的厚度d為3.4mm。使用的波長處于大約480nm～540nm的波長范圍內(nèi)。板式部分5相對于587.56nm波長(d線)的折射率nd為1.596229，阿貝數(shù)νd為40.4。
由于HOE6由兩束用于曝光的光束的波前±差來確定，HOE 6可以通過指示這兩個(gè)光束的光學(xué)條件而定義。第一個(gè)點(diǎn)光源(HV1)的坐標(biāo)表示為(HX1，HY1，HZ1)，第二光點(diǎn)光源的坐標(biāo)表示為(HX2，HY2，HZ2)。如圖2所示，這些坐標(biāo)把HOE平面與光軸的交點(diǎn)取作原點(diǎn)，光軸的方向取作Z軸，HOE平面內(nèi)紙平面的方向取作Y軸，相對于紙平面的深度方向取作X軸，使得這些坐標(biāo)與有關(guān)圖1中所定義的坐標(biāo)不同。
另外，把厚度為20μm、折射率為1.493、折射率調(diào)幅為0.03的乳膠用作記錄全息圖的乳膠。曝光波長為532nm，假設(shè)乳膠的收縮率為2％。因?yàn)槭湛s造成的播放光束波長的漲落處于正比例關(guān)系，所以波長也被縮短2％使得播放期間的中心波長為521.36nm。HOE6的表面為中心位于圖1中沿Z軸右側(cè)離表面5a有1.7mm的平面，其取向?yàn)閺呐cY軸相同方向在紙平面上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)29.3°。為使圖像聚焦性能最佳，HOE 6具有對應(yīng)于依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用的相位函數(shù)分量。
為了在此描述相位函數(shù)，相位函數(shù)是定義除由HOE 6的兩個(gè)純點(diǎn)光源限定之外的非球面相位變換量的函數(shù)；在光學(xué)設(shè)計(jì)方案Code V中，這可以利用X和Y軸分量的多項(xiàng)式系數(shù)等表示。
另外，用于在該具體實(shí)例中光線跟蹤的各種量列于下列表1。光學(xué)平面的順序(平面號的順序)是從用戶眼睛的瞳孔平面(＝圖像合成器1的出射光瞳P的平面)到圖像顯示元件2。另外，在表1中，圖1中對應(yīng)于各個(gè)平面號的參考標(biāo)號表示為括號內(nèi)的“標(biāo)記”。這一點(diǎn)在后面描述的其他表中也是一樣。
(表1)

表1中采用的相位函數(shù)的定義把光程差表示為被采用的波長歸一化的值，其中入射到將HOE表示為XY坐標(biāo)平面上的位置的點(diǎn)上的光線經(jīng)歷該光程差；如果假設(shè)m和n為整數(shù)，則可以通過指定下面所示的一般式(1)表示的多項(xiàng)式系數(shù)來確定，這些系數(shù)一直可以設(shè)到65；依次為C1，C2，C3，...，C65，并當(dāng)系數(shù)的順序號用整數(shù)j表示時(shí)，建立對應(yīng)項(xiàng)，使得如下所示式(2)表達(dá)的關(guān)系在表示X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的順序號的整數(shù)m和n之間也成立。具體地說，在本實(shí)例中，相位函數(shù)由下面的式(3)的多項(xiàng)式限定。相位函數(shù)的這種定義在后面描述的表中也相同。
Σm=010Σn=010CmnXmYn,]]>其中Cmn＝0 …(1)j=(m+n)2+m+3n2---(2)]]>C1X+C2Y+C3X2+c4XY+…+C65Y10…(3)另外，關(guān)于本具體實(shí)例中各個(gè)光學(xué)平面的位置關(guān)系，在下列表2中示出了以第一平面(平面號1＝圖1中的標(biāo)記P)的中心取作原點(diǎn)(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各個(gè)光學(xué)平面的中心的絕對位置，以及這些平面繞X軸的旋轉(zhuǎn)量(以逆時(shí)針方向作為正方向測量得到的值)。
(表2)

關(guān)于本具體實(shí)例中HOE 6的第一光源(播放期間位于觀察者眼睛一側(cè)上的光源)，離開HOE平面原點(diǎn)的距離為2.2×109，在圖2中yz坐標(biāo)系的第三象限(HX10，HY10.214385×10+0.8，HZ10.155769×10+08)。
另外，HOE 6的兩個(gè)光源在空氣中定義；因此，在播放期間HOE6設(shè)置在一種介質(zhì)中的情況下，對折射率進(jìn)行校正來計(jì)算該距離并比較。在該第一具體實(shí)例中，HOE 6到第一光源的距離Rd(空氣中算出的距離)為2.2×109mm，并且因而近似無限遠(yuǎn)。另一方面，HOE 6的平面到出射光瞳P的光瞳平面的距離為14.7mm。但是，1.7mm的該距離位于折射率近似為1.6的介質(zhì)中；因此，對于空氣轉(zhuǎn)變的長度為1.06mm，使得從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離(空氣中算出的距離)Pd為14.06mm。
此處，圖3表示用于表示構(gòu)成本具體實(shí)例的圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)圖像聚焦性能的橫向像差簡圖，其中假設(shè)實(shí)際HOE 6保持表1中定義的設(shè)計(jì)值。此處在一幅圖中同時(shí)表示中心波長521.36nm和關(guān)于該中心波長±10nm的波長531.36nm以及511.36nm的橫向像差值。從圖3中可以看出，HOE 6具有設(shè)計(jì)值的特性的情況下，整個(gè)視角區(qū)域內(nèi)幾乎沒有橫向色差，以至于圖像聚焦性能很優(yōu)越。
這里設(shè)計(jì)了一個(gè)在實(shí)際上制造表1中定義的反射式HOE 6時(shí)使用的曝光光學(xué)系統(tǒng)。圖4表示該曝光光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖。圖5是圖4所示光學(xué)系統(tǒng)中的棱鏡21的放大圖。另外，圖6表示在利用圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)制作反射式HOE 6期間曝光反射式HOE 6的全息曝光設(shè)備的一個(gè)實(shí)例的示意性結(jié)構(gòu)簡圖。
圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)基本上對應(yīng)于圖21中所示的曝光透鏡；該光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)棱鏡21和一個(gè)球面透鏡22以極簡單的方式構(gòu)成。
如圖5所示，棱鏡21由組成上述圖1中板式部分5的一部分的小部分5d、與小部分5d有相同折射率并保持該小部分5d的保持件(在某些情況下也稱為“采用件”)24、以及填充小部分5d和保持件24之間的間隙并與小部分5d和保持件24有相同折射率的填充劑(圖中未示出)構(gòu)成。在位于小部分5d側(cè)面上的棱鏡21的表面上形成反射式HOE 6(嚴(yán)格地講是用于形成反射式HOE 6的光敏材料層)，并將其布置成使得在曝光完成和反射式HOE 6的制作完成之后，可以從保持件24上去除其上形成有反射式HOE 6的小部分5d，并且可以通過上述方法把反射式HOE 6設(shè)置在板式部分5的內(nèi)部。
在圖4和5中，出射光瞳P設(shè)置在通過利用HOE6的位置作為基準(zhǔn)校正在空氣中的折射率下圖1所示出射光瞳P的位置而獲得的位置上。在圖4和5中，B1表示反射式HOE 6曝光期間由第一光源(出射光瞳P一側(cè)的光源)產(chǎn)生的曝光光束(參考光)，B2表示用于形成由第二光源產(chǎn)生的曝光光束(物體光)的平行光束(平面波)。因而，圖4中所示的光學(xué)系統(tǒng)是遠(yuǎn)焦光學(xué)系統(tǒng)。另外，22a表示球面透鏡22在棱鏡21一側(cè)上的表面，22b表示球面透鏡22在第二光源一側(cè)上的表面。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中，當(dāng)用于控制曝光時(shí)間的快門32打開時(shí)，激光光源31入射到擴(kuò)束器/整束器單元33上。該單元33有一個(gè)把入射光入射到焦點(diǎn)上的透鏡34、一個(gè)設(shè)置在該焦點(diǎn)上的針孔35和準(zhǔn)直穿過針孔35的光束的準(zhǔn)直透鏡36；該單元33合并了截取噪聲光束的空間濾波器的功能和擴(kuò)展光束直徑的擴(kuò)束器的功能。來自單元33的平行光束的偏振方向被1/2波長板37旋轉(zhuǎn)之后，只有特定的偏振分量穿過偏振分束器38。1/2波長板37布置成可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，并且1/2波長板37和偏振分束器38構(gòu)成光量調(diào)節(jié)部分。通過偏振分束器38的光被反射鏡39反射，并再被分束器40分成兩個(gè)光束。
通過分束器40的光束被反射鏡41反射，并被光闌42限定為所要的直徑；然后，雖然仍為平行光束(平面波)的形式，但該光束(作為由第一光源(出射光瞳P一側(cè)的光源)產(chǎn)生的曝光光束(參考光束))入射到用于形成反射式HOE 6以施加到棱鏡21上作為涂層的全息光敏材料如乳膠上。
同時(shí)，分束器40反射的光束被反射鏡43反射，并且被聚焦透鏡44聚焦在焦點(diǎn)上；該光經(jīng)過設(shè)置在該焦點(diǎn)處的針孔45，接著被準(zhǔn)直透鏡46轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐⑶覕U(kuò)展到所需的光束直徑，并被光闌47進(jìn)一步限定為指定的直徑，從而形成平行光束B2，平行光束B2用于形成第二光源產(chǎn)生的曝光光束(物體光束)。該平行光束(平面波)B2被透鏡22和棱鏡21轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆乔蛎娌?，并?從與參考光側(cè)相對的一側(cè))入射到用于形成反射式HOE 6以施加到棱鏡21上作為涂層的全息光敏材料如乳膠上。
作為參考光束和物體光束這樣入射到該光敏材料如乳膠上的結(jié)果，參考光和物體光的干涉條紋被記錄在光敏材料上作為(例如)折射率的差異。另外不用說，如果需要的話，在該曝光后對感光材料顯影。
對于曝光透鏡有各種設(shè)計(jì)程序；但把(上述)Code V用在圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。在Code V的情況下，從表1所示的反射式HOE 6的第一光源通過反射式HOE 6進(jìn)行對第二光源的光線跟蹤。如果在通過HOE6后通過插入圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行與反射式HOE6中的相位變換作用相當(dāng)?shù)淖饔?，則波前可以形成一個(gè)清晰的球面波，并且可以無像差地聚焦成第二光源上的圖像。
當(dāng)根據(jù)表1和2中所示圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)置值設(shè)置圖4中所示的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，反射式HOE 6更改為透射設(shè)置；但在該情況下，非球面相位項(xiàng)的變換作用必須相同。因此，需要等同地轉(zhuǎn)換相位系數(shù)，并且第一光源的坐標(biāo)用作物點(diǎn)，從該點(diǎn)進(jìn)行光線跟蹤。即使由不同于播放系統(tǒng)中限定的第一光源的距離設(shè)計(jì)曝光系統(tǒng)，也不能獲得正確的相位變換作用。但是，在圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，第一光源離HOE平面的原點(diǎn)的距離即2.2×109mm極大；因此，第一光源與HOE 6之間的距離值(空氣中算得)可以看作無限遠(yuǎn)。因此，這實(shí)際上被看作無限遠(yuǎn)，并且用平行光入射來設(shè)計(jì)圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的光線跟蹤。
此處，用于圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的光線跟蹤的各種量示于下列表3。光學(xué)平面的順序(平面號的順序)是從第一光源(＝圖像合成器的出射光瞳P一側(cè)的光源)到第二光源。
在表3中，平面號1的標(biāo)記S1表示第一光源。平面號3的全息平面的各種系數(shù)與上述表1中的一樣。入射光瞳直徑必須是滿足全息平面有效直徑的直徑；此處，該直徑為6.2。因?yàn)檫@是來自于點(diǎn)光源(此處以平行光來限定)的光，所以不需要視角。用于光線跟蹤的波長是曝光波長532nm。該光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)遠(yuǎn)焦光學(xué)系統(tǒng)，光束在離開平面號為6的表面之后成為平行光。
(表3)

另外，表4中示出了以第三平面(平面號3＝圖4中的標(biāo)記6，全息平面)的中心取作原點(diǎn)(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各個(gè)光學(xué)平面的中心的絕對位置、這些平面繞X軸的旋轉(zhuǎn)量(以逆時(shí)針方向?yàn)檎较驕y得的值)，作為圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)光學(xué)平面的位置關(guān)系。
(表4)

圖7表示根據(jù)圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的光線跟蹤在出射光瞳平面(即圖4中的表面23)上的波前像差。從圖7中看出，校正得極好，即RMS為0.1λ。
接下來，來確定包含上述圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的圖6所示全息曝光設(shè)備曝光的反射式HOE 6的性能。為此，需要比較兩種光學(xué)性能一種是在將被包含圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的圖6所示全息曝光設(shè)備曝光的反射式HOE 6結(jié)合到該圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)中來取代具有表1中限定的設(shè)計(jì)值的反射式HOE 6設(shè)計(jì)的情形中，構(gòu)成第一具體實(shí)例的圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能；另一種是假設(shè)具有表1中定義的設(shè)計(jì)值“原樣”的反射式HOE 6的情形中該圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能。
這可以通過優(yōu)化作為變量的HOE 6的相位函數(shù)，使得圖4所示光學(xué)系統(tǒng)的剩余像差就RMS而言完全為0λ，并評估該系數(shù)應(yīng)用到表1所示圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡數(shù)據(jù)的性能來實(shí)現(xiàn)。圖8表示結(jié)合了利用該方法進(jìn)行模擬曝光后的HOE 6的圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的橫向像差；該光學(xué)系統(tǒng)的畸變(圖像顯示元件2的顯示部分表面處的畸變)示于圖9。
圖8所示的橫向像差表示與圖3所示橫向像差近似有相同的良好結(jié)果。而且，兩種畸變近似相當(dāng)。因而利用圖4所示光學(xué)系統(tǒng)曝光的反射式HOE 6的性能與表1中所限定的反射式HOE 6設(shè)計(jì)的性能相當(dāng)，因而也是很好的。
接下來描述第一工作結(jié)構(gòu)的第二具體實(shí)例。
該第二具體實(shí)例與上述第一具體實(shí)例的不同僅在于用下列表5所示的量取代上述表1中所示各種光學(xué)量中定義反射式HOE 6的各個(gè)量(設(shè)計(jì)值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的距離(在空氣中算出的距離)Rd約為無限遠(yuǎn)，即2.2×109mm；另一方面，在表5的情況下，距離Rd設(shè)為19.98mm。但是，涉及表5中定義的全息平面的其它各種量設(shè)置成使得獲得與具有表1中限定的全息平面有關(guān)的各種量的反射式HOE 6差不多相當(dāng)?shù)膱D像聚焦性能。
另外，在該第二具體實(shí)例中，從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離Pd(就空氣而言算得)與上述第一具體實(shí)例中的相同，為14.06mm。因此，在該第二具體實(shí)例中，Rd＝1.42×Pd。
(表5)

用于表5中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)通過與用于設(shè)計(jì)表1中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)的方法相同的方法設(shè)計(jì)。該曝光光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖示于圖10。在圖10中，與圖4中相同的元件或?qū)?yīng)于圖4中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去重復(fù)的描述。另外，在該具體實(shí)例中，第一光源的位置為示于O1處的位置。
圖10中所示的光學(xué)系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中同心設(shè)置涂覆有光敏材料如乳膠以形成反射式HOE 6的單棱鏡51、單圓柱狀透鏡52和四個(gè)球面透鏡53～56。另外，雖然圖中未示出，但棱鏡51由構(gòu)成圖1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持該小部分5d的保持件以及填充在這些部件之間的空間中的填充材料構(gòu)成，就像圖4和5所示的棱鏡21一樣。
在圖10所示的光學(xué)系統(tǒng)的情形中，對于透鏡組的各個(gè)透鏡偏心只利用平移，不利用傾斜。因此，與圖21所示的傳統(tǒng)曝光光學(xué)系統(tǒng)相比，很容易獲得支撐透鏡的金屬部分的所需容限以及組件的所需精度。但是，在圖10所示光學(xué)系統(tǒng)的情況下，在圖21所示的傳統(tǒng)曝光光學(xué)系統(tǒng)的情況下，組成透鏡的數(shù)量很大；因此，容限嚴(yán)格。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中設(shè)置圖10所示光學(xué)系統(tǒng)以取代棱鏡21和透鏡22的裝置可以用作全息曝光設(shè)備，在利用圖10所示的光學(xué)系統(tǒng)制作該反射式HOE 6時(shí)該全息曝光設(shè)備對反射式HOE 6曝光。但是，在第二具體實(shí)例中，因?yàn)榫嚯xRd設(shè)置為19.98mm，所以例如根據(jù)該距離在反射鏡41和光闌42之間同軸設(shè)置凸透鏡。另外，不用說，要更改圖6中元件43～47部分的位置和角度以便滿足圖10中光束B1和B2之間的角度關(guān)系。
接下來描述第一工作結(jié)構(gòu)的第三具體實(shí)例。
該第三具體實(shí)例與上述第一具體實(shí)例的不同在于曝光波長設(shè)置為476nm，并且用下列表6所示的量取代上述表1所示各種光學(xué)量中定義反射式HOE 6的各個(gè)量(設(shè)計(jì)值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的距離約為無限遠(yuǎn)，即2.2×109mm；而在表6的情況下，距離Rd設(shè)為37.43mm。但是，涉及表6中定義的全息平面的其它各種量設(shè)置成使得獲得與具有表1中限定的全息平面有關(guān)的各種量的反射式HOE 6近似相當(dāng)?shù)膱D像聚焦性能。
另外，在該第三具體實(shí)例中，從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離(空氣中算得)Pd與上述第一具體實(shí)例中的相同，為14.06mm。因此，在該第三具體實(shí)例中，Rd＝2.66×Pd。
(表6)

用于表6中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)通過與用于設(shè)計(jì)表1中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)的方法相同的方法設(shè)計(jì)。該曝光光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖示于圖11。在圖11中，與圖4中相同的元件或?qū)?yīng)于圖4中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去重復(fù)的描述。另外，在該具體實(shí)例中，第一光源的位置為示于O2處的位置。
圖11中所示的光學(xué)系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中偏心設(shè)置涂覆有光敏材料如乳膠以形成反射式HOE 6的單棱鏡61和四個(gè)球面透鏡62～65。另外，雖然圖中未示出，但棱鏡61由構(gòu)成圖1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持該小部分5d的保持件以及填充在這些部件之間的空間中的填充材料構(gòu)成，就像圖4和5所示的棱鏡21一樣。
在圖11所示的光學(xué)系統(tǒng)的情形中，與圖10所示的光學(xué)系統(tǒng)相比，透鏡的數(shù)量可以減少一個(gè)圓柱狀透鏡。另外，在圖11所示的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，對于透鏡組的各個(gè)透鏡偏心只利用平移，不利用傾斜。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中設(shè)置圖11所示光學(xué)系統(tǒng)以取代棱鏡21和透鏡22的裝置可以用作全息曝光設(shè)備，在利用圖11所示的光學(xué)系統(tǒng)制作該反射式HOE 6時(shí)該全息曝光設(shè)備對反射式HOE 6曝光。但是，在第三具體實(shí)例中，因?yàn)榫嚯xRd設(shè)置為37.43mm，所以例如根據(jù)該距離在反射鏡41和光闌42之間同軸設(shè)置凸透鏡。另外，不用說，要更改圖6中元件43～47部分的位置和角度以便滿足圖11中光束B1和B2之間的角度關(guān)系。
接下來描述第一工作結(jié)構(gòu)的第四具體實(shí)例。
該第四具體實(shí)例與上述第一具體實(shí)例的不同在于曝光波長設(shè)置為647nm，并且用下列表7所示的量取代上述表1所示各種光學(xué)量中定義反射式HOE 6的各個(gè)量(設(shè)計(jì)值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的距離(在空氣中算出的距離)Rd約為無限遠(yuǎn)，即2.2×109mm；而在表7的情況下，距離Rd設(shè)為75.23mm。但是，涉及表7中定義的全息平面的其它各種量設(shè)置成使得獲得與具有表1中限定的全息平面有關(guān)的各種量的反射式HOE 6近似相當(dāng)?shù)膱D像聚焦性能。
另外，在該第四具體實(shí)例中，從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離(空氣中算得)Pd與上述第一具體實(shí)例中的相同，為14.06mm。因此，在該第四具體實(shí)例中，Rd＝5.35×Pd。
(表7)

用于表7中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)通過與用于設(shè)計(jì)表1中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)的方法相同的方法設(shè)計(jì)。該曝光光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖示于圖12。在圖12中，與圖4中相同的元件或?qū)?yīng)于圖4中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去重復(fù)的描述。另外，在該具體實(shí)例中，第一光源的位置為示于O3處的位置。
圖12中所示的光學(xué)系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中偏心設(shè)置涂覆有光敏材料如乳膠以形成反射式HOE 6的單棱鏡71和三個(gè)球面透鏡72～74。另外，雖然圖中未示出，但棱鏡71由構(gòu)成圖1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持該小部分5d的保持件以及填充在這些部件之間的空間中的填充材料構(gòu)成，就像圖4和5所示的棱鏡21一樣。
在圖12所示的光學(xué)系統(tǒng)的情形中，與圖11所示的光學(xué)系統(tǒng)相比，透鏡的數(shù)量可以減少一個(gè)球面透鏡。另外，在圖12所示的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，對于透鏡組的各個(gè)透鏡偏心只利用平移，不利用傾斜。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中設(shè)置圖12所示光學(xué)系統(tǒng)以取代棱鏡21和透鏡22的裝置可以用作全息曝光設(shè)備，在利用圖12所示的光學(xué)系統(tǒng)制作該反射式HOE 6時(shí)該全息曝光設(shè)備對反射式HOE 6曝光。但是，在第四具體實(shí)例中，因?yàn)榫嚯xRd設(shè)置為75.23mm，所以例如根據(jù)該距離在反射鏡41和光闌42之間同軸設(shè)置凸透鏡。另外，不用說，要更改圖6中元件43～47部分的位置和角度以便滿足圖12中光束B1和B2之間的角度關(guān)系。
接下來描述第一工作結(jié)構(gòu)的第五具體實(shí)例。
該第五具體實(shí)例與上述第一具體實(shí)例的不同在于曝光波長設(shè)為476nm，并且用下列表8所示的量取代上述表1中所示各種光學(xué)量中定義反射式HOE 6的各個(gè)量(設(shè)計(jì)值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的距離(在空氣中算出的距離)Rd約為無限遠(yuǎn)，即2.2×109mm，而在表8的情況下，距離Rd設(shè)為146.28mm。但是，涉及表8中定義的全息平面的其它各種量設(shè)置成使得獲得與具有表1中限定的全息平面有關(guān)的各種量的反射式HOE 6相當(dāng)?shù)膱D像聚焦性能。
另外，在該第五具體實(shí)例中，從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離(空氣中算得)Pd與上述第一具體實(shí)例中的相同，為14.06mm。因此，在該第五具體實(shí)例中，Rd＝10.40×Pd。
(表8)

用于表8中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)通過與用于設(shè)計(jì)表1中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)的方法相同的方法設(shè)計(jì)。該曝光光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖示于圖13。在圖13中，與圖4中相同的元件或?qū)?yīng)于圖4中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去重復(fù)的描述。另外，在該具體實(shí)例中，第一光源的位置為示于O4處的位置。
圖13中所示的光學(xué)系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中偏心設(shè)置涂覆有光敏材料如乳膠以形成反射式HOE 6的單棱鏡81、在圖13紙平面中有一曲率但在與紙平面垂直的橫截面上為平面的單圓柱狀透鏡82、以及兩個(gè)球面透鏡83和84。但是，因?yàn)榍蛎嫱哥R83和球面透鏡84同軸，所以透鏡偏心軸的總數(shù)量為二。另外，對于透鏡組的各個(gè)透鏡偏心只利用平移；不采用傾斜。
另外，雖然圖中未示出，但棱鏡81由構(gòu)成圖1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持該小部分5d的保持件以及填充在這些部件之間的空間中的填充材料構(gòu)成，就像圖4和5所示的棱鏡21一樣。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中設(shè)置圖13所示光學(xué)系統(tǒng)以取代棱鏡21和透鏡22的裝置可以用作全息曝光設(shè)備，在利用圖13所示的光學(xué)系統(tǒng)制作該反射式HOE 6時(shí)該全息曝光設(shè)備對反射式HOE 6曝光。但是，在第五具體實(shí)例中，因?yàn)榫嚯xRd設(shè)置為146.28mm，所以例如根據(jù)該距離在反射鏡41和光闌42之間同軸設(shè)置凸透鏡。另外，不用說，要更改圖6中元件43～47部分的位置和角度以便滿足圖13中光束B1和B2之間的角度關(guān)系。
接下來描述第一工作結(jié)構(gòu)的第六具體實(shí)例。
該第六具體實(shí)例與上述第一具體實(shí)例的不同僅在于用下列表9所示的量取代上述表1所示各種光學(xué)量中定義反射式HOE 6的各個(gè)量(設(shè)計(jì)值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的距離(在空氣中算得)Rd約為無限遠(yuǎn)，即2.2×109mm；而在表9的情況下，距離Rd設(shè)為2×107mm，稍短，但仍近似為無限遠(yuǎn)。但是，涉及表9中定義的全息平面的其它各種量設(shè)置成使得獲得與具有表1中限定的全息平面有關(guān)的各種量的反射式HOE 6近似相當(dāng)?shù)膱D像聚焦性能。
另外，在該第六具體實(shí)例中，從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離(空氣中算得)Pd與上述第一具體實(shí)例中的相同，為14.06mm。
(表9)

用于表9中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)通過與用于設(shè)計(jì)表1中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)的方法相同的方法設(shè)計(jì)。該曝光光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖示于圖14。在圖14中，與圖4中相同的元件或?qū)?yīng)于圖4中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去重復(fù)的描述。另外，在該第六具體實(shí)例中，距離Rd的值可以看作為無限遠(yuǎn)，與上述第一具體實(shí)例的情況相同，實(shí)際采用平行光入射來設(shè)計(jì)曝光透鏡的光線跟蹤。
圖14中所示的光學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)涂覆有光敏材料如乳膠以形成反射式HOE 6的單棱鏡91和兩個(gè)相互共軸的球面透鏡92和93。如果透鏡組為共軸，則可以通過構(gòu)成支撐部分的配件從而當(dāng)透鏡組加入配件中時(shí)在觀察透射光的偏心移動(dòng)的同時(shí)消除移動(dòng)來保持透鏡組；因此大大地改善了性能。另外，如果在配件的鄰接表面和透鏡外徑的中心軸之間獲得直角，則即使后續(xù)的設(shè)置偏心，也可以很容易地獲得角度和位置精度。
另外，雖然圖中未示出，但棱鏡91是一種與構(gòu)成圖1中板式部分5的一部分的小部分5d相當(dāng)?shù)睦忡R。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中設(shè)置圖14所示光學(xué)系統(tǒng)以取代棱鏡21和透鏡22的裝置可以用作全息曝光設(shè)備，在利用圖14所示的光學(xué)系統(tǒng)制作該反射式HOE 6時(shí)該全息曝光設(shè)備對反射式HOE 6曝光。另外，不用說，要更改圖6中元件43～47部分的位置和角度以便滿足圖14中光束B1和B2之間的角度關(guān)系。
比較上述第一工作結(jié)構(gòu)的第一～第六具體實(shí)例可以看到，在對具有較高階(三階或更高階)非球面相位項(xiàng)的HOE 6曝光的情況下，曝光光學(xué)系統(tǒng)隨著HOE 6到第一光源(播放期間觀察者眼睛一側(cè)的光源)的距離Rd(空氣中算得)變大而變得簡單。
原因如下在所有情況下從觀察者眼睛的瞳孔一側(cè)進(jìn)行光線跟蹤。另外，播放系統(tǒng)是指圖像合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中曝光的反射式HOE結(jié)合到板式部分中并與圖像顯示裝置集成一體。而且從觀察者觀察到的虛像開始朝著圖像顯示裝置的顯示屏進(jìn)行播放系統(tǒng)的光線跟蹤。
曝光系統(tǒng)是指用于對播放系統(tǒng)中限定的反射式HOE曝光的光學(xué)系統(tǒng)；以反射式HOE的第一光源作為物點(diǎn)進(jìn)行光線跟蹤，使得在光線通過HOE之后，通過曝光透鏡把圖像聚焦到第二光源上。
此處，當(dāng)根據(jù)播放系統(tǒng)設(shè)計(jì)曝光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，將反射式HOE6改為透射設(shè)置；在該情況下，非球面相位項(xiàng)的變換作用必須相同。因此，必須等同地轉(zhuǎn)換相位系數(shù)，并且第一光源的坐標(biāo)用作物點(diǎn)，從該物點(diǎn)進(jìn)行光線跟蹤。即使由不同于播放系統(tǒng)定義的第一光源的距離設(shè)計(jì)曝光系統(tǒng)，也不能獲得正確的相位變換作用。
順便提及，曝光光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著距離Rd變大而變簡單的原因依據(jù)于光線從第一光源(曝光系統(tǒng)中)入射到HOE 6上并從中透射過之后的發(fā)散角。如果試圖構(gòu)成一種與各個(gè)變換作用等同的作用，其中具有非球面波前的光線成束，則必須賦予光線在空間形式上密集集中的點(diǎn)處的各個(gè)光線所需的相位變換作用。因此，必須使用大量的透鏡，并進(jìn)行所需的校正，而造成每次少量的光折射。
另一方面，關(guān)于非球面彎曲量，甚至在相當(dāng)?shù)姆乔蛎娌ㄇ暗那闆r下光束發(fā)散，各個(gè)成分在空間上分離；因此易于校正。
另外，曝光系統(tǒng)中光線透射過HOE之后的發(fā)散角取決于第一光源的光源距離。
例如，當(dāng)距離Rd基本上等于播放系統(tǒng)的合成焦點(diǎn)的距離時(shí)，如果從作為反射式HOE的播放系統(tǒng)的光學(xué)布局中光源的坐標(biāo)開始進(jìn)行光線跟蹤，則被HOE反射的光束是從焦點(diǎn)附近發(fā)出的光束；因此，該光束基本上平行。曝光透鏡設(shè)計(jì)成使得向HOE的反面延伸該基本上平行的光的光束轉(zhuǎn)變?yōu)闊o像差的光。
接下來，在距離Rd短于播放系統(tǒng)的合成焦點(diǎn)的距離的情況下，如果從播放系統(tǒng)的光學(xué)布局中第一光源的坐標(biāo)開始進(jìn)行光線跟蹤，則光線被HOE平面反射之后成為發(fā)散光。因?yàn)槠毓馔哥R把向HOE的反面延伸該發(fā)散光的光束轉(zhuǎn)變?yōu)闊o像差的光，所以必須對會(huì)聚光加入校正，使得圖像無像差地聚焦。
在光源足夠遠(yuǎn)的情況下，當(dāng)從播放系統(tǒng)中的光源坐標(biāo)開始進(jìn)行光線跟蹤時(shí)在反射之后產(chǎn)生會(huì)聚光。另外，因?yàn)橄騂OE的反面延伸該會(huì)聚光的光束轉(zhuǎn)變?yōu)闊o像差的光，所以如果發(fā)散光得到校正就足夠了，從而可以簡化曝光透鏡的結(jié)構(gòu)。
發(fā)散程度隨第一光源的距離而增大，并且較大的空間分離有利于校正。
在第一光源接近全息平面的情況下，曝光系統(tǒng)的入射NA增大；因此，曝光透鏡設(shè)計(jì)上的困難程度增加。如果光源的距離增大，則因?yàn)槿⑵矫娴挠行е睆讲蛔?，曝光系統(tǒng)的入射NA相對減小，并且曝光透鏡的結(jié)構(gòu)可以簡化。
上面討論了曝光光學(xué)系統(tǒng)隨距離Rd增大而變簡單的原因。
因而，由于曝光光學(xué)系統(tǒng)隨距離Rd增大變得簡單，所以如果距離Rd充分大于距離Pd，則用于制作反射式HOE 6的曝光光學(xué)系統(tǒng)比距離Rd和距離Pd重合的傳統(tǒng)圖像顯示裝置簡單。
另外，從上述第一工作結(jié)構(gòu)的第一～第六具體實(shí)例的比較看出，希望將距離Rd設(shè)置成距離Pd的兩倍或更大，以便更進(jìn)一步簡化曝光光學(xué)系統(tǒng)。而且，為了更進(jìn)一步簡化曝光光學(xué)系統(tǒng)，希望將距離Rd設(shè)置為距離Pd的五倍或更大。
圖15表示構(gòu)成本發(fā)明第二工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)簡圖和在該圖像顯示裝置中的光線(僅指來自圖像顯示元件2的光線)路徑。在圖15中，與圖1中相同或?qū)?yīng)于圖1中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去贅述。另外，在圖15中，省去了組成光源的LED 3和反射鏡4。
該工作結(jié)構(gòu)與上述第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例的基本不同之處在于反射式HOE 6的曝光波長為476nm，第一光源與反射式HOE 6之間的距離Rd為146mm。
本工作結(jié)構(gòu)的各個(gè)光學(xué)量如下所示出射光瞳P的直徑為3mm。圖中紙平面內(nèi)向上方向的視場角為5°。圖中紙平面內(nèi)向下方向的視場角為-5°。關(guān)于紙平面深度方向上的視場角為±6.75°。圖中紙平面內(nèi)屏幕的大小(點(diǎn)A1和點(diǎn)A2之間的長度)為3.6mm。關(guān)于紙平面深度方向上屏幕的大小為4.8mm。板式部分5的厚度d為3.4mm。板式部分5采用與上述第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例中相同的材料。
另外，在該工作結(jié)構(gòu)中用于光線跟蹤的各種量列于下表10。光學(xué)平面的順序(平面號的順序)是從用戶眼睛的瞳孔平面(＝圖像合成器1的出射光瞳P的平面)到圖像顯示元件2。
(表10)

另外，關(guān)于本工作結(jié)構(gòu)中的各個(gè)光學(xué)平面的位置關(guān)系，在下列表11中示出了以第一平面(平面號1＝圖1中的標(biāo)記P)的中心取作原點(diǎn)(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各個(gè)光學(xué)平面的中心的絕對位置，以及這些平面繞X軸的旋轉(zhuǎn)量(以逆時(shí)針方向?yàn)檎较驕y量得到的值)。
(表11)

關(guān)于本工作結(jié)構(gòu)中反射式HOE 6的第一光源(播放期間位于觀察者眼睛一側(cè)的光源)，在圖2中yz坐標(biāo)的第三象限中到HOE平面原點(diǎn)的距離為146mm(HX10，HY1-.114800×10+03，HZ1-.906616×10+02)。
另外，HOE 6的兩個(gè)光源在空氣中定義；因此在播放期間HOE 6處于一種介質(zhì)中的情況下，對折射率進(jìn)行校正來計(jì)算距離并且進(jìn)行比較。在本工作結(jié)構(gòu)中，HOE 6到第一光源的距離(在空氣中算得的距離)Rd為146mm。另一方面，HOE6平面離開出射光瞳P的光瞳平面的距離為14.7mm。但是，該1.7mm的距離處于折射率約為1.6的介質(zhì)中；因此，對于空氣轉(zhuǎn)變的長度為1.06mm，從而從HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距離Pd(空氣中算得)為14.06mm。
此處，圖16是用于表示構(gòu)成本工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)在假設(shè)實(shí)際HOE 6保持表10中定義的設(shè)計(jì)值“原樣”的情況下的圖像聚焦性能的橫向像差簡圖。此處在一幅圖中同時(shí)表示中心波長461nm和關(guān)于該中心波長±10nm的波長471nm以及451nm的橫向像差值。從圖16中可以看出，HOE 6具有設(shè)計(jì)值的特性的情況下，整個(gè)視角區(qū)域內(nèi)幾乎沒有橫向色差，以至于圖像聚焦性能很優(yōu)越。
用于表10中定義的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)通過與用于設(shè)計(jì)表1中定義的關(guān)于上述第一工作結(jié)構(gòu)的第一具體實(shí)例的反射式HOE 6的實(shí)際制作中的曝光光學(xué)系統(tǒng)的方法相同的方法設(shè)計(jì)。該曝光光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)部分的光路簡圖示于圖17。在圖17中，與圖4中相同的元件或?qū)?yīng)于圖4中元件的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號并省去重復(fù)的描述。另外，在該工作結(jié)構(gòu)中，第一光源的位置為示于O5處的位置。
圖17中所示的光學(xué)系統(tǒng)具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中偏心設(shè)置涂覆有光敏材料如乳膠以形成反射式HOE 6的單棱鏡101、在圖17的紙平面中有曲面但在垂直于紙平面的橫截面中為平面的單圓柱狀透鏡102和兩個(gè)球面透鏡103～和104。但是，因?yàn)榍蛎嫱哥R103和球面透鏡104共軸，透鏡偏心軸的總數(shù)量為二。另外，在透鏡組的各個(gè)透鏡的偏心中只使用平移，不使用傾斜。因而，圖17所示的光學(xué)系統(tǒng)具有相對簡單的結(jié)構(gòu)。
另外，雖然圖中未示出，但棱鏡101由構(gòu)成圖1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持該小部分5d的保持件以及填充在這些部件之間的空間中的填充材料構(gòu)成，就像圖4和5所示的棱鏡21一樣。
在圖6所示的全息曝光設(shè)備中設(shè)置圖17所示光學(xué)系統(tǒng)以取代棱鏡21和透鏡22的裝置可以用作全息曝光設(shè)備，在利用圖17所示的光學(xué)系統(tǒng)制作該反射式HOE 6時(shí)該全息曝光設(shè)備對反射式HOE 6曝光。但是，在該工作結(jié)構(gòu)中，因?yàn)榫嚯xRd設(shè)置為146mm，所以例如根據(jù)該距離在反射鏡41和光闌42之間同軸設(shè)置凸透鏡。另外，不用說，要更改圖6中元件43～47部分的位置和角度以便滿足圖17中光束B1和B2之間的角度關(guān)系。
此處，用于圖17所示光學(xué)系統(tǒng)的光線跟蹤的各種量示于下列表12。光學(xué)平面的順序(平面號的順序)是從第一光源(圖像合成器1的出射光瞳P一側(cè)的光源)到第二光源。
在表12中，平面號1的標(biāo)記S1表示第一光源。平面號3的全息平面的各種系數(shù)與上述表10中的一樣。入射光瞳直徑必須是滿足全息平面有效直徑要求的直徑；此處，直徑為6.2。用于光線跟蹤的波長是曝光波長476nm。
(表12)

另外，關(guān)于圖17中所示光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)光學(xué)平面的位置關(guān)系，在下列表13中示出了以第三平面(平面號3＝圖17中的標(biāo)記6；全息平面)的中心取作原點(diǎn)(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各個(gè)光學(xué)平面的中心的絕對位置，以及這些平面繞X軸的旋轉(zhuǎn)量(以逆時(shí)針方向?yàn)檎较驕y得的值)。
(表13)

圖18表示根據(jù)圖17所示該光學(xué)系統(tǒng)的光線跟蹤在出射光瞳平面(即圖17中的平面23)處的波前像差。從圖18中看出，校正得極好，就RMS而言為0.3λ。
接下來，來確定包含上述圖17所示光學(xué)系統(tǒng)的全息曝光設(shè)備曝光的反射式HOE 6的性能。為此，需要比較兩種光學(xué)性能一種是在將被包含圖17所示光學(xué)系統(tǒng)的全息曝光設(shè)備曝光的反射式HOE 6結(jié)合到本工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)中、取代具有表10中限定的設(shè)計(jì)值的反射式HOE 6設(shè)計(jì)的情形中，圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能；另一種是假設(shè)具有表10中定義的設(shè)計(jì)值“原樣”的反射式HOE 6的情形中該圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能。
這可以通過對作為變量的HOE 6的相位函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得圖17所示光學(xué)系統(tǒng)的剩余像差就RMS而言為0λ，并評估該系數(shù)應(yīng)用到表10所示圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡數(shù)據(jù)的性能來實(shí)現(xiàn)。圖19表示結(jié)合了利用該方法進(jìn)行模擬曝光后的HOE 6的圖像顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)的橫向像差；該光學(xué)系統(tǒng)的畸變(圖像顯示元件2的顯示部分表面處的畸變)示于圖20。
圖19所示的橫向像差表示與圖16所示橫向像差近似有相同的良好結(jié)果。另外，兩種畸變近似相當(dāng)。因而利用圖17所示光學(xué)系統(tǒng)曝光的反射式HOE 6的性能與表1中所限定的反射式HOE 6設(shè)計(jì)的性能相當(dāng)，因而也是很好的。
以上描述了本發(fā)明的各個(gè)工作結(jié)構(gòu)以及這些工作結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例。但本發(fā)明不限于這些工作結(jié)構(gòu)或具體實(shí)例。
例如，上述各種工作結(jié)構(gòu)是利用本發(fā)明的圖像合成器構(gòu)成的頭戴式圖像顯示裝置的實(shí)例。但是，用在上述各種工作結(jié)構(gòu)中的各種圖像合成器1也可以構(gòu)造成允許在相機(jī)取景器、顯微鏡和雙目望遠(yuǎn)鏡的目鏡部分上安置，或者這些圖像合成器也可以結(jié)合到相機(jī)、顯微鏡、雙目望遠(yuǎn)鏡等中。
另外，上述各種工作結(jié)構(gòu)是本發(fā)明應(yīng)用到透明式頭戴圖像顯示裝置中的實(shí)例；但本發(fā)明也可以應(yīng)用到不是透明式的圖像顯示裝置中。在該情況下，上述各種工作結(jié)構(gòu)的圖像顯示裝置可以構(gòu)造成使得來自外界的光不入射到圖像合成器1上。在這種情況下，因?yàn)闃?gòu)成圖像合成器1的部分不疊加到兩個(gè)圖像上，該部分不能稱作圖像合成器；相反，該部分構(gòu)成把光從圖像顯示元件2導(dǎo)入用戶眼睛的光傳導(dǎo)部分。在該情況下，圖像合成器1中板式部分的下部(HOE6以下的部分)可以去除。例如，這種非透明式的圖像顯示裝置可以以與日本專利申請公開JP2001-264682的情形相同的方式安裝在便攜式電話的滑動(dòng)部分內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種圖像合成器，其中安置了反射式全息光學(xué)元件，并使來自圖像顯示部件的光疊加到穿過主體的光上，該圖像合成器的特征在于反射式全息光學(xué)元件具有依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用，并且距離Rd基本上大于距離Pd，其中Rd為播放期間(制作該元件期間用于曝光反射式全息光學(xué)元件的兩個(gè)光源中)位于觀察者眼睛一側(cè)上的光源與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)，Pd為圖像合成器的出射光瞳與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像合成器，其特征在于距離Rd是距離Pd的兩倍或更大。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像合成器，其特征在于距離Rd為100mm或更大。
4.如權(quán)利要求2所述的圖像合成器，其特征在于距離Rd為100mm或更大。
5.一種包括權(quán)利要求1～4任一所述圖像合成器和圖像顯示部件的圖像顯示裝置，其特征在于使用中在用戶身上安裝至少包含圖像合成器的部分。
6.一種圖像顯示裝置，包括圖像顯示部件和光傳導(dǎo)部分，其中光傳導(dǎo)部分把來自圖像顯示部件的光導(dǎo)向用戶的眼睛，該圖像顯示裝置的特征在于光傳導(dǎo)部分具有反射式全息光學(xué)元件，反射式全息光學(xué)元件具有依賴于在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用，并且距離Rd基本上大于距離Pd，其中Rd為播放期間(制作該元件期間用于曝光反射式全息光學(xué)元件的兩個(gè)光源中)位于觀察者眼睛一側(cè)上的光源與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)，Pd為圖像合成器的出射光瞳與反射式全息光學(xué)元件的全息平面之間的距離(空氣中算出的距離)。
7.如權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其特征在于距離Rd是距離Pd的兩倍或更大。
8.如權(quán)利要求6或7所述的圖像顯示裝置，其特征在于距離Rd為100mm或更大。
全文摘要
使用中把一個(gè)由光學(xué)材料構(gòu)成并對應(yīng)于眼鏡片的板式部分5定位在用戶的眼睛前面，設(shè)置在圖像合成器1的出射光瞳P附近。合成器1致使來自圖像顯示元件2的光疊加到透射過板式部分5的光上，從而從板式部分5的前面穿過板式部分5的厚度，并且將該光束導(dǎo)向眼睛。來自圖像顯示元件2的光在板式部分5內(nèi)部被反射式HOE6衍射和反射之后到達(dá)用戶的眼睛。HOE6具有依賴于其在全息平面上的位置的三階或更高階相位變換作用。播放期間(用于在制作該HOE時(shí)對HOE6曝光的兩個(gè)光源中)觀察者眼睛一側(cè)上的光源到HOE6之間的距離Rd充分大于圖像合成器1的出射光瞳P和HOE6之間的距離Pd(空氣中算得)。通過利用這種結(jié)構(gòu)，可以簡化用于曝光全息圖的曝光光學(xué)系統(tǒng)。
文檔編號G02B27/00GK1675577SQ03818720
公開日2005年9月28日 申請日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者大內(nèi)由美子, 堀健治 申請人:株式會(huì)社尼康