專利名稱：圖像組合器與圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像組合器，其使得用戶可以觀看基于來自前方的例如外部世界的光線的圖像和在這個(第一)圖像上疊加的顯示圖像，并且其使用了反射型全息光學元件，另外，本發(fā)明還涉及使用反射型全息光學元件的圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
在過去，例如，日本專利申請Kokai No.2000-352689、日本專利申請Kokai No.2000-352689和日本專利申請Kokai No.2001-264682中披露的圖像顯示裝置已被認為是所謂的透視型頭戴圖像顯示裝置(頭戴顯示器)，其允許用戶觀看在外部世界的景象上疊加的顯示圖像，同時觀察該外部世界的環(huán)境。
進而，日本專利申請Kokai No.2001-264682不僅披露了透視型頭戴圖像顯示裝置，而且還披露了不用作透視型裝置的圖像顯示裝置(亦即，其僅僅從圖像形成元件向用戶眼睛傳導光線，而不將來自外部世界等等的其他光線疊加到來自圖像形成元件的該光線上)，其同時具有和這樣的透視型裝置基本上相同的構(gòu)造；同樣披露了在便攜式電話機的(flipper)部分中包含這種圖像顯示裝置的例子。
在這些圖像顯示裝置中，通過使用反射型全息光學元件實現(xiàn)了尺寸和重量的減少。這樣的反射型全息光學元件在波長選擇性方面是較好的，并且能夠選擇性地僅僅衍射/反射極其有限的波長范圍中的光線。因此，在構(gòu)造透視型圖像顯示裝置的情況下，通過使用反射型全息光學元件能夠顯著地減少當來自外部世界等等的光線穿過圖像組合器時丟失的光線的數(shù)量。
進而，在這些圖像顯示裝置中，由于反射型全息圖用作圖像組合器，所以布置反射型全息圖，以便關(guān)于光路偏移該全息圖，以便分開來自外部世界和來自顯示光線的光線。此外，在這些圖像顯示裝置中，液晶顯示元件通常用作圖像形成元件，以便實現(xiàn)減少尺寸和重量，并且LED，其為小型且便宜的光源，用作照明這種圖像形成元件的光源。
然而，在這些傳統(tǒng)的圖像顯示裝置中，盡管在用戶眼睛的瞳孔中心和圖像組合器的出射光瞳的中心相一致的情況下能夠觀看好的顯示圖像，但是隨著用戶眼睛的瞳孔中心從這個出射光瞳的中心朝著圖像組合器的出射光瞳的外圍方向移動，顯示屏逐漸變暗，并且顯示圖像出現(xiàn)模糊，所以圖像就質(zhì)量而言并不總是足夠的。進而，在實際使用期間，用戶眼睛的瞳孔中心從圖像組合器的出射光瞳的中心偏離頻繁地發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
在這樣的條件下設(shè)計了本發(fā)明；本發(fā)明的目的是提供一種圖像顯示裝置，其能夠在用戶眼睛的瞳孔中心從圖像組合器的出射光瞳的中心偏離的情況下改善顯示圖像的圖像質(zhì)量，同時通過使用反射型全息光學元件實現(xiàn)減少尺寸和重量，以及一種圖像組合器，其能夠在這樣的圖像顯示裝置等等中使用。進而，在隨后的說明中，存在全息光學元件被稱作“HOE”的實例。
用于達到上述目的的第一發(fā)明是圖像組合器，在所述圖像組合器中，安裝了反射型全息光學元件，并且疊加來自圖像形成裝置的光線和穿過主體的光線，其中，從圖像形成裝置發(fā)出的光線僅僅具有單一波長范圍成分或多個離散的波長范圍成分，并且在入射角和反射/衍射角之間建立如下的條件，在所述入射角處，從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件的表面上入射，-5＜θ1＜5，并且|θ1-θ2|＜3，
其中，θ1是入射角(°)，在該入射角處，從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件上入射，而θ2是當反射型全息光學元件衍射/反射從顯示部分的中心發(fā)出的主光線時的反射/衍射角(°)。
用于達到上述目的的第二發(fā)明是第一發(fā)明，其中，-3＜θ1＜3。
用于達到上述目的的第三發(fā)明是第一發(fā)明或第二發(fā)明，其中|θ1-θ2|＜2。
用于達到上述目的的第四發(fā)明是第一到第三發(fā)明中的任何一個，其中，反射型全息光學元件是體元件。
用于達到上述目的的第五發(fā)明是第一到第四發(fā)明中的任何一個，其中，反射型全息光學元件具有屈光力。
用于達到上述目的的第六發(fā)明是第一到第五發(fā)明中的任何一個，其中，來自圖像形成裝置的主光線的發(fā)射方向是基本上垂直于圖像形成裝置的顯示部分的表面的方向。
用于達到上述目的的第七發(fā)明是包含第一到第六發(fā)明中的任何一個的圖像組合器和圖像形成裝置的圖像顯示裝置，其中，在使用期間，在用戶眼睛附近至少使用包含圖像組合器的部分。
用于達到上述目的的第八發(fā)明是圖像顯示裝置，在所述圖像顯示裝置中，安裝了反射型全息光學元件，并且顯示來自圖像形成裝置的光線，其中，從圖像形成裝置發(fā)出的光線僅僅具有單一波長范圍成分或多個離散的波長范圍成分，并且在入射角和反射/衍射角之間建立如下的條件，其中在所述入射角處，從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件的表面上入射，
-3＜θ1＜3，并且|θ1-θ2|＜5，其中，θ1是入射角(°)，在該入射角處，從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件上入射，而θ2是當反射型全息光學元件衍射/反射從顯示部分的中心發(fā)出的主光線時的反射/衍射角(°)。
用于達到上述目的的第九發(fā)明是第八發(fā)明，其中|θ1-θ2|＜3。
用于達到上述目的的第十發(fā)明是第八發(fā)明或第九發(fā)明，其中|θ1-θ2|＜2。
用于達到上述目的的第十一發(fā)明是第八到第十發(fā)明中的任何一個，其中，反射型全息光學元件是體元件。
用于達到上述目的的第十二發(fā)明是第八到第十一發(fā)明中的任何一個，其中，反射型全息光學元件具有屈光力。
用于達到上述目的的第十三發(fā)明是第八到第十二發(fā)明中的任何一個，其中，來自圖像形成裝置的主光線的發(fā)射方向是基本上垂直于圖像形成裝置的顯示部分的表面的方向。
已知反射型HOE、尤其是反射體HOE的衍射特性具有銳波長選擇性和鈍角的特性。具體地，關(guān)于以滿足布拉格條件的角度和波長入射的復制的光線能夠以最大的效率獲得衍射的光線；然而，當關(guān)于入射波長從布拉格條件存在偏離時，存在衍射效率突然下降的特性，并且另一方面，在入射角從布拉格入射角偏離的情況下，存在衍射效率逐漸減少的特性。作為這些特性的結(jié)果，這樣的反射體HOE已變得被認為是適合于在圖像組合器中使用的元件，所述圖像組合器能夠進行具有寬視角的圖像顯示而不損失來自外部世界的光線的亮度。然而，這是在單一波長的光線照明的情況下由衍射效率的值單獨限定的變量；未考慮在使用具有帶寬的照明光線實際進行照明的情況下衍射的光線的波長特征。
本發(fā)明人研究了入射角從布拉格入射角偏離情況下的衍射特性，并且發(fā)現(xiàn)，以最大效率衍射的波長根據(jù)從布拉格入射角的偏離而變化。類似地，進而，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)當從不同的方向觀察來自HOE的衍射光線時，衍射效率顯示最高值的波長改變。下面來說明這一點。
全息圖衍射在符合布拉格條件公式的方向上顯示最大衍射強度。下面的等式表達了體全息圖中的布拉格條件公式。在同時滿足等式(1)和等式(2)的方向上衍射的光線的強度顯示出最大值。
1/λR(sinθO-sinθR)＝1/λC(sinθI-sinθC)……(1)1/λR(cosθO-cosθR)＝1/λC(cosθI-cosθC)……(2)這里，等式(1)和(2)中的左邊指示記錄全息圖期間的狀態(tài)，λR指示記錄的波長，θO指示物體光線關(guān)于全息圖平面法線的入射角，而θR指示參考光線的入射角。進而，等式(1)和(2)中的右邊指示再現(xiàn)全息圖期間的狀態(tài)，λC指示再現(xiàn)的波長，θC指示照明光線關(guān)于全息圖平面法線的入射角，而θI指示衍射光線的出射角。
如果以簡化的方式圖解顯示這一點，則可以獲得圖3。進而，在圖3(b)中，PC指示用戶眼睛的瞳孔中心的位置。當進行光線追蹤時，從位置PC追蹤光線；因此，圖3(b)中的光線的取向被顯示為和光線追蹤的情況一致；然而，光線的實際取向是相反的取向。
這里，如果從制造HOE期間的條件和基于等式(1)與等式(2)的視線角θC來確定具有衍射強度的波長λC和照明光線的入射角θI，則可以獲得下面的等式。
λC＝-[(sinθO-sinθR)sinθC+(cosθO-cosθR)cosθC]×2/[(sinθO-sinθR)2+(cosθO-cosθR)2]×λR……(3)θI＝arcsin{λC/λR×(sinθO-sinθR)+sinθC}……(4)這里，在從布拉格條件存在偏離的情況下衍射光線的強度不為零，但是強度根據(jù)這個偏離的量相當程度地降低。該強度降低的方式根據(jù)相位體全息材料的厚度和折射率的變化量而變化；隨著厚度增加，或者隨著折射率的變化量增加，該強度降低更加陡峭。換言之，波長選擇性變得更銳利，所以等式(2)指示的衍射的貢獻變得更大。
因此，實際上，等式(3)中的波長是衍射強度顯示最大值的波長，并且不僅這個波長的光線，而且具有在這個波長附近的帶寬的波長帶中的光線，實際上也被衍射/反射。因此，滿足布拉格條件公式的等式(3)中的λC被稱為主衍射波長。
這里，在曝光波長為476nm、參考光線的入射角為30°、物體光線的入射角為150°以及反射型HOE在空氣中的條件下，通過改變視線角θC，研究了主衍射波長的行為和對應(yīng)于視線的照明光線的入射角θI。
在從反射型HOE的法線正向的逆時針旋轉(zhuǎn)中測量各個角度。在下面的表中顯示了獲得的結(jié)果。如從表1看到的那樣，當視線角θC變化±5°時，主衍射波長λC偏移大約±9nm。
(表1)視線角θC主衍射波長λC照明光線的入射角θI(度) (nm)(度)25 484.5 15530 476 15035 466.4 145
這里，當?shù)仁?3)改寫為主衍射波長λC對曝光波長λR的比率λC/λR(相對主衍射波長)時，得到下面的等式λC/λR＝-[(sinθO-sinθR)sinθC+(cosθO-cosθR)cosθC]×2/[(sinθO-sinθR)2+(cosθO-cosθR)2]……(5)圖4顯示了當用曝光光線的角度作為參數(shù)來改變曝光期間視線角θC相對于參考光線的入射角θR的差(θC-θR)時等式(5)中指示的相對主衍射波長λC/λR的值的變化的曲線圖。
如從圖4看到的那樣，隨著角度差(θC-θR)從0離開，相對主衍射波長λC/λR的值也從1離開。因此，可以看出，隨著曝光期間視線角θC和參考光線的入射角θR之間的差(θC-θR)增加，波長偏移增加。進而，為了便于說明，這種現(xiàn)象被稱為“波長偏移現(xiàn)象”。
在上述的日本專利申請Kokai No.2000-352689和日本專利申請Kokai No.2001-264682中說明的實施例中，使用了反射型全息光學元件，其通過使得在制造期間用于曝光的參考光源的位置與圖像組合器的出射光瞳的位置一致來制造。特別地，曝光期間的參考光源的位置被規(guī)定為再現(xiàn)系統(tǒng)的光瞳位置。因此，盡管曝光期間的參考光線的入射角和視線角之間的差對于再現(xiàn)期間的主光線在所有視角處基本上都為零，但是對于穿過從圖像組合器的出射光瞳中的中心偏離的位置的光線(邊緣光線)，在視線角θC和參考光線的入射角θR之間產(chǎn)生了差異。因此，作為上述波長偏移現(xiàn)象的結(jié)果，在使用期間，在邊緣光線中發(fā)生了波長偏移。
進而，在上述傳統(tǒng)的圖像顯示裝置中，已探知隨著用戶眼睛的瞳孔中心從圖像組合器的出射光瞳的中心朝著這個出射光瞳的外圍方向移動而顯示屏變暗的原因如下亦即，由于當朝著光瞳的外圍方向移動時波長偏移增加，所以隨著接近光瞳的外圍，由入射照明光線的帶寬和衍射強度的波長特性的結(jié)合產(chǎn)生的強度下降。此外，已探知圖像出現(xiàn)模糊的原因如下亦即，由于隨著接近光瞳的外圍，衍射波長改變，所以產(chǎn)生了橫向像差。
對于日本專利申請Kokai No.2000-352689和日本專利申請KokaiNo.2001-264682中說明的多個實施例的圖像顯示裝置，本發(fā)明人通過從觀察者(用戶)的瞳孔朝著圖像形成元件(諸如液晶顯示元件之類的圖像形成部件)的方向進行光線追蹤而具體地確定了上述衍射波長的變化和橫向像差的所得到的量。下面來說明得到的結(jié)果。
在日本專利申請Kokai No.2000-352689中說明的實施例3的情況下，關(guān)于主光線，亦即，從光瞳中心朝著像平面的不同點的方向引導的光線，滿足布拉格條件。因此，在所有的視角之上都以高衍射效率反射/衍射和曝光波長相同的波長(532nm)處的光線；然而，從光瞳坐標y＝1.5mm(在頁平面向上的方向上取y軸)入射的光線的衍射效率在527nm處顯示最大值。相反地，從光瞳坐標y＝-1.5mm的位置入射的光線的衍射效率在537nm處顯示最大值。換言之，可以看出，隨著接近光瞳的外圍，衍射波長偏移±5nm。這里，光瞳坐標是指光瞳平面內(nèi)的位置坐標，同時光瞳中心取為原點，并且單位設(shè)置為mm。
在綠色LED用作照明光源，所述綠色LED在532nm附近具有發(fā)射峰值的情況下，如果根據(jù)半幅全寬將發(fā)射特性設(shè)置為(例如)大約10nm，則527nm波長處的發(fā)射強度為0.5，并且537nm波長處的發(fā)射強度為0.5，其中532nm波長處的發(fā)射強度取為1。因此，在光瞳坐標y＝±1.5的位置處，即使衍射效率為90％或以上的高效率，但是由于衍射波長偏移了±5nm，與中心相比，照明光線的強度也在0.5以下；結(jié)果，觀察的圖像變暗。
進而，如果計算橫向像差，那么，相對于以532nm波長從光瞳中心以0°視角入射的光線的像平面上的y坐標y＝0.0，以527nm波長從光瞳坐標y＝1.5mm入射的光線的像平面上的高度為y＝-0.10mm，而以537nm波長從光瞳坐標y＝-1.5mm入射的光線的像平面上的高度為y＝0.12mm，所以產(chǎn)生了0.1mm以上的橫向像差。
假設(shè)在像平面上，亦即，在圖像形成組件的表面上，放置1/4英寸(4.8×3.6mm)QVGA(320×240象素)液晶顯示裝置，那么一個象素的尺寸為0.015mm見方，并且上述放大倍率的像差具有對應(yīng)于7到8個象素的很大的值。具體地，作為由這種波長偏移而引起的像差的結(jié)果，隨著接近光瞳的外圍，圖像出現(xiàn)模糊。
當本發(fā)明人基于闡明在這樣的傳統(tǒng)的圖像顯示裝置中遇到的問題的原因的結(jié)果來進一步研究這種波長偏移現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)了相對主衍射波長關(guān)于(θC-θR)的變化的斜率取決于曝光期間的參考光線的入射角θR。
因此，假設(shè)在等式(5)中θR＝0并且θO＝180°，那么這對應(yīng)于從HOE的兩個表面的法線方向進行曝光的情況，并且在這種情況下，等式(5)能夠被改寫如下λC/λR＝cosθC……(6)在這種狀態(tài)下，假設(shè)反射型HOE在空氣中，改變視線角θC(對應(yīng)于視角)，并研究相對主衍射波長的行為和對應(yīng)于視線的照明光線入射角θI。在下面的表2中顯示了得到的結(jié)果。
(表2)視線角θC相對主衍射波長λC/λR照明光線的入射角θI(度) (度)-50.996 1750 1 1805 0.996 185如從表2中會很清楚的那樣，對于視線角θC中±5°的變化，相對主衍射波長的變化大約為±0.4％。特別地，假設(shè)曝光波長為476nm，那么主衍射波長中的波長偏移為±1.9nm，與上述例子相比，這是極小的值。換言之，如果使用從HOE的兩個表面上的法線方向曝光的反射型HOE來構(gòu)造圖像組合器，則即使用戶的視線角改變，也幾乎沒有波長偏移發(fā)生。
因此，即使在顯示屏的外圍區(qū)域中，或者即使在用戶眼睛的瞳孔中心從圖像組合器的出射光瞳的中心偏離的情況下，也只會存在很少的顯示屏變暗或顯示圖像的模糊外觀，所以與上述傳統(tǒng)的顯示裝置的圖像質(zhì)量相比，極大地改善了圖像質(zhì)量。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)極大地改善了用戶使用的便利性。
順便提及，在反射型HOE上的光線的入射角和反射/衍射角不是鏡面反射的情況下，即使在波長變化很小的情況下衍射角度也會變化很大。換言之，可以知道在顯示屏中像差會發(fā)生。
在上述日本專利申請Kokai No.2000-352689中披露的第三、第四和第五實施例中，視線角關(guān)于反射型HOE被設(shè)置為0°；然而，對應(yīng)于視線角的照明光線的入射角關(guān)于HOE的法線大約為18°，所以設(shè)備具有HOE上的光線的入射角和反射角顯著地不同于鏡面反射的構(gòu)造。因此，由于照明光線的帶寬導致的像差很嚴重，導致性能下降。
基于這種研究，根據(jù)在使用期間布置的角度，考慮了本發(fā)明的構(gòu)造，其減少了關(guān)于用戶的視線角的變化的波長偏移，并且抑制了由照明光線的帶寬造成的像差。
在希望改進當用戶的視線角改變大約±5°時發(fā)生的波長偏移造成的顯示屏的亮度下降的情況下，希望滿足以下條件，其中θ1(°)是通過從全息平面的法線測量入射角得到的角度，在所述入射角處，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件上入射，而θ2(°)是通過從同樣的法線測量當反射型全息光學元件衍射/反射主光線時看到的反射/衍射角(亦即，關(guān)于這些主光線的視線角)得到的角度。
-5＜θ1＜5，并且|θ1-θ2|＜3進而，在對于甚至更大的用戶視線角的變化抑制波長偏移的情況下，更希望滿足以下條件。
-3＜θ1＜3，并且|θ1-θ2|＜3此外，在使用根據(jù)QVGA標準的液晶顯示裝置的情況下，如果當垂直方向上的視角被設(shè)置在±6°時基本上不存在橫向像差的區(qū)域在中心部分的大約30％之內(nèi)，則上下端處剩余的橫向像差也在可容許的范圍之內(nèi)。為了滿足這樣的條件，希望將|θ1-θ2|設(shè)置在2°或以下。為了更進一步地改善圖像質(zhì)量，甚至更希望將|θ1-θ2|設(shè)置在1.5°或以下。
上面的是對應(yīng)于圖像形成元件的顯示部分的中心的主光線的說明。如果不僅對于這些光線，而且對于反射型HOE衍射/反射的所有光線，使得入射角和反射角相等，則能夠?qū)⑼耆珨[脫橫向像差的圖像信息傳導到用戶的眼睛。然而，在這樣的情況下，盡管反射型HOE就波長選擇性而言起作用，但是這種HOE僅僅用作沒有透鏡作用(亦即屈光力)的平面鏡。在這樣的情況下，如果考慮作為整體的系統(tǒng)，則有必要校正圖像形成元件一側(cè)的光學系統(tǒng)的所有像差(球面像差、像散像差等)，所以這個部分的光學系統(tǒng)變得復雜。
因此，為了簡化光學系統(tǒng)，希望反射型HOE提供屈光力。在這種情況下，即使設(shè)計系統(tǒng)以便橫向像差關(guān)于對應(yīng)于圖像形成元件的顯示部分的中心的主光線不發(fā)生，關(guān)于來自圖像形成元件的外圍部分的光線也產(chǎn)生了橫向像差。然而，只要反射型HOE不提供極強的屈光力，這就由散布的剩余的光學系統(tǒng)所取消，所以可以將這種像差抑制到不造成實際問題的范圍，這樣一來就消除了上述問題。
進而，如早先檢查的那樣，如果需要校正的橫向像差的波長范圍是最大限度的反射型HOE的波長選擇性的范圍，那么是足夠的；因此，一定程度的橫向像差校正是足夠的；沒有必要犧牲反射型HOE的透鏡作用以達到橫向像差的完全校正。
此外，由于反射體HOE的衍射特性顯示出銳波長選擇性(使得當再現(xiàn)照明光線以一定入射角入射時在特定的方向上只衍射特定波長的光線的特性)，所以尤其希望使用體元件作為反射型全息光學元件。
另外，如果設(shè)計系統(tǒng)以便來自圖像形成裝置的主光線發(fā)出的方向為基本上垂直于圖像形成裝置的顯示部分的表面的方向，那么能夠設(shè)計系統(tǒng)以便上述關(guān)系式對于來自圖像形成裝置的表面上的任何位置的主光線都有效。因此，這是所希望的。
使用圖像組合器作為圖像合成裝置，通過來自圖像形成裝置的光線在HOE上形成的圖像和來自外部世界的圖像被合成并傳導到用戶的眼睛。因此，尤其希望構(gòu)造能夠接近用戶的眼睛使用的圖像組合器。例如，可以預想這樣的情況如頭戴顯示器情況下那樣的在用戶身上安裝同時使用的圖像組合器，或者如照相機探測器、雙目鏡等情況下那樣的在使用期間接近用戶的眼睛使用的圖像組合器。這樣一來，本發(fā)明的圖像合成設(shè)備尤其預想在接近用戶眼睛的位置使用，亦即，在大多數(shù)情況下，在從眼球的表面離開15mm或以下的距離的位置使用。
在上述第八到第十三發(fā)明中，反射型全息光學元件并非總是用作圖像組合器；這些發(fā)明包括這樣的情況這樣的反射型全息光學元件用于簡單地通過衍射/反射來自圖像形成元件的光線來形成圖像，以便形成可見圖像。例如，這樣的不是透視裝置的圖像顯示裝置可以包含在便攜式電話機的翻蓋部分。
用于達到上述目的的第十四發(fā)明是圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，在來自外部世界的光線上疊加用來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像，以便形成雙重圖像，其中，這種圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的偏振光束分光器，以及當從這個偏振光束分光器來看時在外部世界一側(cè)布置的1/4波長板，反射型全息光學元件布置在1/4波長板的外部世界一側(cè)，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線以偏振狀態(tài)入射到光轉(zhuǎn)送體上，以便偏振光束分光器反射該光線，該光線在偏振光束分光器上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，光線被偏振光束分光器反射并穿過1/4波長板，然后光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線再次穿過1/4波長板，然后光線穿過偏振光束分光器，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
在本發(fā)明中，使用偏振光束分光器，以便在透視型圖像顯示裝置中使用關(guān)系|θ1-θ2|＜3。如稍后在工作構(gòu)造中將要說明的那樣，偏振光束分光器的使用使得可以將來自圖像形成元件的光線以好的效率傳導到反射型全息光學元件，同時在薄的光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部造成該光線的全反射，所以該光線能夠在滿足條件|θ1-θ2|＜3的狀態(tài)下被傳導到用戶的眼睛。進而，從傳導來自圖像形成元件的光線的觀點來看，希望光轉(zhuǎn)送體兩側(cè)的表面是平行的。然而，如果滿足了全反射的條件，則這些表面平行就不是絕對必要的；同樣可以使用具有屈光力的光轉(zhuǎn)送體。這在稍后說明的第十五發(fā)明和第十六發(fā)明的情況下同樣有效。
用于達到上述目的的第十五發(fā)明是圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，在來自外部世界的光線上疊加用來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像，以便形成雙重圖像，其中，這種圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的偏振光束分光器，以及當從這個偏振光束分光器來看時在外部世界一側(cè)布置的1/4波長板，其在置于1/4波長板和光轉(zhuǎn)送體之間的空隙的位置，反射型全息光學元件布置在1/4波長板的外部世界一側(cè)，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線以偏振狀態(tài)在光轉(zhuǎn)送體上入射，以便偏振光束分光器反射該光線，該光線在偏振光束分光器上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，光線被偏振光束分光器反射并穿過1/4波長板，然后光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線再次穿過1/4波長板，然后光線穿過偏振光束分光器，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
本發(fā)明不同于上述第十四發(fā)明的地方在于，1/4波長板和反射型全息光學元件布置而使得具有在這些部分和光轉(zhuǎn)送體之間的空隙。如稍后在工作構(gòu)造中將要說明的那樣，這樣的布置消除了光轉(zhuǎn)送體和反射型全息光學元件之間使用的光線的多次反射的重復，所以能夠防止全息圖特性的惡化，并且能夠減少1/4波長板的尺寸。另外，在希望當接收來自外部世界的光線時提供具有屈光力的部分的情況下，如果形成具有平行的平坦表面的光轉(zhuǎn)送體，并且設(shè)計系統(tǒng)以便提供具有屈光力的組件，所述組件在具有置于該組件和光轉(zhuǎn)送體之間的空隙的條件下布置，并且1/4波長板和反射型全息光學元件連接到所述組件，則來自圖像形成元件的光線的光路的光學設(shè)計變得容易。
用于達到上述目的的第十六發(fā)明是圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，在來自外部世界的光線上疊加用來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像，以便形成雙重圖像，其中，這種圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的偏振光束分光器，以及在與圖像形成元件相對的該偏振光束分光器一側(cè)的該光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的1/4波長板，反射型全息光學元件布置在與偏振光束分光器相對的1/4波長板一側(cè)，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線以偏振狀態(tài)在光轉(zhuǎn)送體上入射，以便該光線穿過偏振光束分光器，該光線在偏振光束分光器上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，光線穿過偏振光束分光器并且穿過1/4波長板，然后光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線再次穿過1/4波長板，然后光線被偏振光束分光器反射，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
在本發(fā)明中，在光轉(zhuǎn)送體中嵌入了反射型全息光學元件。因此，裝置在使用的條件下具有穩(wěn)定的特性；進而，光轉(zhuǎn)送體和反射型全息光學元件之間使用的光線的多次反射的重復被消除，所以能夠防止全息圖特性的惡化。
用于達到上述目的的第十七發(fā)明是圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，在來自外部世界的光線上疊加用來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像，以便形成雙重圖像，其中，這種圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的半透明反射鏡，反射型全息光學元件布置在面對外部世界的光轉(zhuǎn)送體的表面上，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線在光轉(zhuǎn)送體上入射，然后在半透明反射鏡上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，該光線被半透明反射鏡反射，光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線穿過半透明反射鏡，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
用于達到上述目的的第十八發(fā)明是圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，在來自外部世界的光線上疊加用來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像，以便形成雙重圖像，其中，這種圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的半透明反射鏡，反射型全息光學元件布置在具有置于該全息光學元件和光轉(zhuǎn)送體之間的空隙的位置，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線在光轉(zhuǎn)送體上入射，然后在半透明反射鏡上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，該光線被半透明反射鏡反射，光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線穿過半透明反射鏡，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
用于達到上述目的的第十九發(fā)明是圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，在來自外部世界的光線上疊加用來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像，以便形成雙重圖像，其中，這種圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的半透明反射鏡，反射型全息光學元件布置在與圖像形成元件相對的半透明反射鏡一側(cè)的光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線在光轉(zhuǎn)送體上入射，然后在半透明反射鏡上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，該光線穿過半透明反射鏡，光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線被半透明反射鏡反射，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
上述第十七到第十九發(fā)明分別使用半透明反射鏡代替第十四和第十五發(fā)明中的偏振光束分光器。因此，光線質(zhì)量下降到初始質(zhì)量的大約1/4。然而，在能夠使用強光源的情況下，能夠使用便宜的半透明反射鏡構(gòu)造系統(tǒng)；因此，能夠減少總體上的設(shè)備的成本。


圖1是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第一工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造以及該圖像顯示裝置中的光線的示意性路徑的示圖；圖2是顯示規(guī)定本發(fā)明中使用的反射型HOE的坐標系統(tǒng)的示圖；圖3是用于顯示全息圖特性的示圖；圖4是顯示在以取曝光光線的角度作為參數(shù)的方式改變在曝光期間關(guān)于參考光線的入射角θR的視線角θC、亦即(θC-θR)的情況下等式(5)中顯示的相對主衍射波長λC/λR的值的變化的曲線圖；圖5是本發(fā)明的第一工作構(gòu)造的具體例子中的橫向像差的示圖；圖6是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第二工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造以及該圖像顯示裝置中的光線的示意性路徑的示圖；圖7是第二工作構(gòu)造的第一具體例子中的橫向像差的示圖；圖8是第二工作構(gòu)造的第二具體例子中的橫向像差的示圖；圖9是第二工作構(gòu)造的第三具體例子中的橫向像差的示圖；圖10是顯示在多路復用第二工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的情況下RGB光點位置偏離和失真的示圖；圖11是顯示在多路復用第二工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的情況下關(guān)于視角變化的亮度平衡變化以及關(guān)于光瞳坐標變化的亮度平衡變化的示圖；圖12是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第三工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造以及該圖像顯示裝置中的光線的路徑的示圖；圖13是第三工作構(gòu)造的第一具體例子中的橫向像差的示圖；
圖14是第三工作構(gòu)造的第二具體例子中的橫向像差的示圖；圖15是第三工作構(gòu)造的第三具體例子中的橫向像差的示圖；圖16是顯示在多路復用第三工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的情況下RGB光點位置偏離和失真的示圖；圖17是顯示在多路復用第三工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的情況下關(guān)于視角變化的亮度平衡變化以及關(guān)于光瞳坐標變化的亮度平衡變化的示圖；圖18是顯示第二和第三工作構(gòu)造的具體例子中使用的LED光源的發(fā)射光譜的示圖；圖19是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造以及該圖像顯示裝置中的光線的路徑的示圖；圖20是構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置中的表示綠色的三個波長處的橫向像差的示圖；圖21是構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置中的表示藍色的三個波長處的橫向像差的示圖；圖22是構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置中的表示紅色的三個波長處的橫向像差的示圖；圖23是顯示在在構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置中進行多路復用的情況下RGB光點位置偏離和失真的示圖；圖24是顯示在在構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置中進行多路傳輸?shù)那闆r下關(guān)于視角變化和光瞳坐標變化的亮度平衡變化的示圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖來說明構(gòu)成本發(fā)明的工作構(gòu)造的圖像組合器和圖像顯示裝置。
第一工作構(gòu)造圖1是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第一工作構(gòu)造的圖像顯示裝置(使用圖像組合器)的構(gòu)造以及該圖像顯示裝置中的光線(僅僅來自圖像形成元件2的光線)的示意性路徑的示圖。(a)是總體示意圖，而(b)是部分A的局部放大圖。
這里，如圖1中顯示的那樣規(guī)定了相互垂直的X軸、Y軸和Z軸。具體地，取圖1中的頁平面中的左右方向作為Z軸，并且取向右的方向作為Z坐標值的正方向。取圖1中的頁平面中的垂直方向作為Y軸，并且取向上的方向作為Y坐標值的正方向。取垂直于圖1中的頁平面的方向作為X軸，以便建立右手三維直角坐標系。具體地，取從圖1中的頁平面的深度的方向作為X坐標值的正方向。進而，Y軸的方向可以和實際的垂直方向一致，或者可以是某個其他適當?shù)姆较?。此外，在本發(fā)明的工作構(gòu)造的說明中，將基于圖2中顯示的布置說明工作構(gòu)造。進而，在附圖中，5指示板狀部分；在更接近圖像組合器1的出射光瞳P的一側(cè)的板狀部分5的表面被指示為5a，而遠的一側(cè)的表面被指示為5b。此外，坐標軸的方向同樣如圖2中顯示的那樣在所有的顯示各個工作構(gòu)造的附圖中。然而，原點并不限于附圖中顯示的位置；可以使用任意的位置。這些規(guī)定對稍后說明的圖6和12同樣有效。
本工作構(gòu)造的圖像顯示裝置包含圖像組合器1和圖像形成元件2。在本工作構(gòu)造中，透視型LCD用作圖像形成元件2。圖像形成元件2從后面被來自由LED 3和諸如拋物面鏡之類的反光鏡4組成的光源的光線照明，并且通過使來自光源的光線服從空間光學調(diào)制來轉(zhuǎn)送指示顯示圖像的光線。進而，諸如反射型LCD之類的其他元件同樣可以用作圖像形成元件2。不用說，同樣可以使用諸如場致發(fā)光元件之類的自發(fā)光類型的元件。
圖像組合器1包含板狀部分5，其由諸如玻璃或塑料之類的光學材料制成，并且在平行的平板(除了上部之外)上構(gòu)造。當然，例如，板狀部分5同樣可以具有用于對用戶的視覺靈敏度進行校正的屈光力。在這種情況下，例如，在Z軸方向上取向的板狀部分5的兩個表面5a和5b中的至少一個由彎曲的表面形成。這些要點同樣適用于稍后說明的各個工作構(gòu)造。進而，板狀部分5還在圖1中的向下方向上延伸，然而，這從附圖中被略去了。
光線傳導部分11由平坦-凸起的透鏡形成，并且具有由彎曲的表面組成的入射表面11b，來自圖像形成元件2的光線在所述彎曲的表面上入射，以及由平坦的表面組成的出射表面11a，所述平坦的表面出射從入射表面11b入射的光線，并且造成該光線在圖1中的板狀部分的表面5a的上部附近入射。進而，在圖像形成元件2和光線傳導部分11之間布置λ/2板9。
板狀部分5以和眼鏡片同樣的方式經(jīng)由諸如框架(附圖中未顯示)之類的支撐組件安裝在用戶的頭上，并且放置在用戶眼睛(附圖中未顯示)的前面。在圖1中，P指示對于來自圖像組合器1的圖像形成元件2的光線的出射光瞳，而P0指示出射光瞳P的中心。在用戶身上安裝圖像組合器1，以便該出射光瞳P基本上和用戶眼睛的瞳孔一致。因此，出射光瞳的中心P0基本上和用戶眼睛的瞳孔中心一致。
在圖1中，Z軸方向和板狀部分5的厚度方向一致。板狀部分5的眼睛側(cè)的表面5a和相對側(cè)的表面5b平行于XY平面。進而，盡管這未在附圖中顯示，但是上面提到的支撐組件同樣支撐LED 3、反光鏡4、圖像形成元件2和光線傳導部分11。結(jié)果，在位于附圖中的頁平面之內(nèi)的板狀部分5的上方和左邊的位置布置圖像形成元件2，所以沒有阻止用戶觀察外部世界，并且所以當用戶裝上這種圖像顯示裝置時(圖像形成元件)并未產(chǎn)生任何妨礙。當然，同樣可以在某個其他適當?shù)奈恢貌贾脠D像形成元件2，并且借助于中繼光學系統(tǒng)將顯示圖像傳導到圖1中的圖像形成元件2的位置；進而，同樣可以使用掃描光學系統(tǒng)在這個位置的空間中形成圖像。這些要點在稍后說明的各個工作構(gòu)造中也是一樣的。
此外，在圖1中，點A1和A2分別指示附圖中的頁平面之內(nèi)的圖像形成元件2的顯示部分的兩個末端的位置。進而，點A0指示該顯示部分的中心。構(gòu)造圖像組合器1，以便在來自圖像形成元件2的光線被疊加到通過板狀部分5轉(zhuǎn)送以便從板狀部分5的前面穿過板狀部分5的厚度d(亦即，以便從表面5b入射并從表面5a出射)的光線(在下文中被稱作“外部世界光線”)上之后被傳導到用戶的眼睛。
在本工作構(gòu)造中，在板狀部分5的表面5b的覆蓋區(qū)域R4和R5的范圍內(nèi)布置λ/4板7。布置該λ/4板，以便λ/4板的軸的取向關(guān)于圖1中顯示的XY平面中的X軸為任一±45°。進而，在板狀部分5的表面5b的面對用戶眼睛的位置(區(qū)域R5)附近布置反射型全息光學元件(反射型HOE)6。
此外，在本工作構(gòu)造中，在如圖1中顯示的那樣，關(guān)于表面5a和5b的逆時針方向上以特定的角度傾斜偏振光束分光器(PBS)8。例如，能夠通過以下方法在板狀部分5內(nèi)部布置PBS 8將PBS 8粘接到一小塊和板狀部分5相同的材料，隨后將該小塊放置到形成板狀部分5的模型框架內(nèi)部，在熔融狀態(tài)下將板狀部分5的材料傾注到模型框架中，然后使該材料凝固。當然，用于在板狀部分5內(nèi)部安裝PBS8的方法并非限于這種方法。
在面對光線傳導部分11的表面11a的位置附近的板狀部分5的內(nèi)部布置反射表面(鏡子)5c。如圖1中顯示的那樣，在關(guān)于表面5a和5b的逆時針方向上以特定的角度傾斜反射表面5c。進而，可以切掉對角地位于圖1中的反射表面5c之上的板狀部分5的部分，因為來自圖像形成元件2的光線并不穿過(該部分)。在這種情況下，在板狀部分5的表面上布置反射表面5c。
來自圖像形成元件2的光線的波長具有包括反射型HOE的衍射效率峰值的波長的波長寬度；該波長寬度之內(nèi)的最大部分基本上和衍射效率峰值波長一致，并且該反射型HOE 6反射來自圖像形成元件2的光線。同時，反射型HOE 6允許外部世界光線(附圖中未顯示)穿過而不使該光線偏斜。進而，希望使用具有如反射型HOE 6那樣的高波長選擇性的元件，以便和外部世界光線存在盡可能少的干擾。如果對于表示R、G和B的各個顏色的狹窄波長范圍中的三種波長的光線具有各自的選擇性的元件用作反射型HOE 6，則還能夠使用戶看到的顯示圖像變成彩色。
如圖1中顯示的那樣，反射型HOE 6具有朝著觀察者瞳孔的方向反射來自圖像形成元件2的光線的特性，并且還具有屈光力，以便該HOE具有特定的圖像聚焦作用。當然，反射型HOE 6具有屈光力不是絕對必要的。反射型HOE 6可以具有平坦的表面，或者可以具有彎曲的表面。在具有彎曲表面的HOE用作反射型HOE 6的情況下，如果在用戶眼睛一側(cè)布置彎曲表面的曲率中心，那么就減少了當視角很大時反射型HOE 6產(chǎn)生的根據(jù)視角的像差波動的量，這是所希望的。
例如，光致聚合物、光致抗蝕劑、光致變色材料、光致二色材料、銀鹽感光乳劑、重鉻酸鹽凝膠(gelatin bichromate)、重鉻酸鹽凝膠(gelatin dichromate)、塑料、鐵電材料、磁性光學材料、電光材料、無定形半導體、光致折射材料等等能夠用作用于構(gòu)造反射型HOE 6的全息光敏材料。進而，根據(jù)公眾已知的方法，使用用于這樣的制造的光學系統(tǒng)，通過用來自兩個光源的光線同時照射這樣的材料，能夠制造反射型HOE 6。
由于LCD在本工作構(gòu)造中用作圖像形成元件2，所以從圖像形成元件2發(fā)射的光線是線性偏振光。在這樣的方向上布置λ/2板9的軸，所述方向是這樣的，以致于來自圖像形成元件2的線性偏振光是在Y軸的方向上偏振的線性偏振光。穿過圖像形成元件2的顯示部分上的任意點的光線(亦即顯示圖像的光線)穿過λ/2板9，并且服從偏振平面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；然后該光線穿過光線傳導部分11的平坦一凸起透鏡，并且從板狀部分5的表面5a上的區(qū)域R0進入板狀部分5的內(nèi)部。
從區(qū)域R0進入板狀部分5的內(nèi)部的光線被反射表面5c反射，然后以大于臨界角的入射角在板狀部分5的表面5a的區(qū)域R1上入射，所以該光線被區(qū)域R1完全反射。然后該光線以大于臨界角的入射角在板狀部分5的表面5b的區(qū)域R2上入射，所以該光線被區(qū)域R2完全反射。該光線進一步以大于臨界角的入射角在板狀部分5的表面5a的區(qū)域R3上入射，所以該光線被區(qū)域R3完全反射。該光線進一步以大于臨界角的入射角在板狀部分5的表面5b的區(qū)域R4上入射，所以該光線被區(qū)域R4完全反射，在這之后，光線在PBS 8上入射。
當光線在板狀部分5上入射時，在Y軸方向上取向該光線的偏振方向；然而，當光線被區(qū)域R4中的具有空氣的臨界表面完全反射時，由于光線穿過λ/4板7兩次，所以光線受到λ/2的總的相位變化，因此偏振的方向改變了90°，這樣一來，就產(chǎn)生了在X軸方向上偏振的線性偏振光。特別地，由于光線被轉(zhuǎn)換成S偏振光，然后造成在PBS 8上入射，所以光線被PBS 8反射。
然后，在光線進入表面5b上的區(qū)域R5中的λ/4板7并被轉(zhuǎn)換成圓形偏振光之后，光線服從反射型HOE 6的反射的衍射效應(yīng)和圖像聚焦效應(yīng)。隨后，該光線再次穿過λ/4板7，并且被轉(zhuǎn)換成具有P偏振的線性偏振光；因此，當光線再次在PBS 8上入射時，光線穿過了PBS8。然后，光線從板狀部分5的表面5a上的區(qū)域R6被發(fā)射到板狀部分5的外部。
在這種情況下，從圖像形成元件2上的相同位置發(fā)射的光線，在布置在出射光瞳P處的用戶眼睛的瞳孔上入射，以便在無窮遠處或在從出射光瞳P相隔特定距離(稍后說明的具體例子中為600mm)處形成放大的虛像。
在從圖像形成元件2發(fā)射并由反射型HOE 6衍射/反射之后到達用戶眼睛的光線，通常僅僅具有根據(jù)LED 3的發(fā)射光譜特性和反射型HOE 6的波長選擇性的一個波長范圍成分。然而，例如，在白色LED用作LED 3并且彩色反射型HOE用作反射型HOE 6的情況下，光線具有多個離散的波長范圍成分。這里，在這樣的光線之中，所述光線在從圖像形成元件2發(fā)射并由反射型HOE 6衍射/反射之后到達用戶的眼睛，我們將考慮從圖像形成元件2的中心A0發(fā)射的光線以及到達出射光瞳P的中心的光線。這里，這些光線之中的基本上具有單一波長范圍的中心波長的光線、或者基本上具有位于最靠近多個波長范圍之中的短波長一側(cè)的波長范圍的中心波長的光線、以及組成光束中心的光線，將被稱作“主光線”。
這里，將說明第一工作構(gòu)造的具體例子。在這個具體例子的設(shè)計中，在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的美國光學研究聯(lián)合公司制造的Code V(商品名稱)用作設(shè)計程序。在這種情況下，從圖像形成元件2的顯示部分的中心A0發(fā)射并穿過出射光瞳P的中心P0的光線的路徑，在整體上被規(guī)定為該光學裝置的光軸。在這個具體例子中，光軸不是單根直線，而是具有相互傾斜的線段連接起來的形狀。這些要點在稍后說明的各個工作構(gòu)造的具體例子中也是一樣的。
這個具體例子的不同光學量如下所述。
出射光瞳P的直徑為3mm。附圖中的頁平面之內(nèi)的向上方向的視場角為5°。附圖中的頁平面之內(nèi)的向下方向的視場角為-5°。頁深度方向的視場角為±6.67°。附圖中的頁平面中的屏幕尺寸(亦即點A1和點A2之間的長度)為3.6mm。頁深度方向的屏幕尺寸為4.8mm。板狀部分5的厚度d為3.4mm。使用的波長為從大約480nm到大約540nm的波長寬度。關(guān)于587.56nm波長(d線)的板狀部分5的折射率nd為1.593947，并且Abbe常數(shù)vd為34.99。
關(guān)于反射型HOE 6的規(guī)定，通過規(guī)定兩種用于曝光的光束來明確地規(guī)定全息圖。通過光源的位置和從各個光源發(fā)射的光束的或集中(VIR)或發(fā)散(REA)來規(guī)定兩種光束。第一點光源(HV1)的坐標被指示為(HX1，HY1，HZ1)，而第二點光源的坐標被指示為(HX2，HY2，HZ2)。在這些坐標的情況下，如圖2中顯示的那樣，取HOE平面和光軸之間的交點作為原點，在光軸的方向上取Z軸，取HOE平面之內(nèi)的頁平面中的向上方向作為Y軸，并且取頁深度的方向作為X軸。
進而，具有29μm的厚度、1.493的折射率和0.0224的折射率調(diào)制的感光乳劑用作記錄全息圖的感光乳劑。曝光波長為532nm。HOE 6具有相位函數(shù)成分，以便最優(yōu)化圖像聚焦性能。
在這里說明相位函數(shù)。相位函數(shù)是規(guī)定除了反射型HOE 6的兩個純點光源規(guī)定的之外的非球面相位變換的量；在光學設(shè)計程序CodeV中，這能夠使用X和Y軸成分的多項式系數(shù)等來指示。此外，在下面的表3中顯示了用于這個具體例子中的光線追蹤的不同數(shù)量。光學平面的順序(平面號碼的順序)從用戶眼睛的瞳孔平面(＝圖像組合器1的出射光瞳P的平面)走向圖像形成元件2。進而，在表3中，對應(yīng)于各個平面號碼的圖1中的參考符號被表示為括號中的“符號”。這一點在稍后說明的表中也是一樣的。
(表3)平面號碼(符號) 曲率半徑 介質(zhì)ndvd1(P) 無窮大2(5aR6) 無窮大 1.593947 34.993(6) 無窮大反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REA HV2VIRHX10.00E+00 HY10.00E+00 HZ1-1.00E+20HX20.00E+00 HY20.00E+00 HZ2-1.00E+20相位系數(shù)C2-1.3961E-03C3-1.5268E-02C5-1.5191E-02C7-3.5978E-05C91-9832E-05 C107.9613E-05C12-3.7097E-05 C148.8185E-05C163.3655E-06C18-2.8274E-05 C20-1.0574E-05 C21-3.7068E-06C236.0702E-05C255.4549E-05C27-1.3250E-05C29-3.8022E-07 C313.0072E-06C336.5074E-06C355.6006E-07C362.9292E-07C38-5.8795E-06C40-1.2793E-05 C42-5.5345E-06 C441.7524E-06C462.3290E-08C48-1.9552E-07 C50-1.3657E-07C52-7.4316E-07 C541.3560E-07C55-1.0775E-08C571.8148E-07C596.0826E-07C616.0669E-07C632.8538E-07C65-1.2153E-074(8) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面5(5bR4) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面6(5aR3) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面7(5bR2) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面8(5aR1) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面9(5c) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面10(5aR0) 無窮大11(11a)無窮大 1.593947 34.9912(11b)13.193413(2) 無窮大表3中使用的相位函數(shù)的規(guī)定表達了光路差，該光路差是入射到指示反射型HOE 6作為XY坐標平面上的位置的點的光線被處理作為使用的波長規(guī)范化的值的光路差；如果m和n假設(shè)為整數(shù)，那么這通過在下面顯示的通式中指示等式(7)表達的多項式系數(shù)來確定。這里，C00＝0。
Σm=010Σn=010CmnXmYn---(7)]]>這樣的系數(shù)能夠被指示一直到65；這些依次被稱作C1、C2、C3、……、C65，并且當用整數(shù)j來表達系數(shù)的順序時，建立起對應(yīng)，以便下面顯示的等式(8)表達的關(guān)系在指示X坐標和Y坐標的順序號碼的整數(shù)m和n之間有效。
j＝{(m+n)2+m+3n}/2……(8)特別地，在本例子中，通過下面顯示的等式(9)的多項式方程規(guī)定相位函數(shù)。這樣的相位函數(shù)的規(guī)定對于稍后說明的表也是一樣的。
C1X+C2Y+C3X2+C4XY+C5Y2+……C65Y10……(9)進而，關(guān)于本具體例子中的各個光學平面的位置關(guān)系，在下面的表4中顯示了以第一平面(平面No.1＝圖1中的符號P)的中心取作原點(X，Y，Z)＝(0，0，0)的方式的各個光學平面的中心的絕對位置，以及關(guān)于X軸的這些平面的旋轉(zhuǎn)量(以逆時針旋轉(zhuǎn)取作正數(shù)的方式測量的值)。
(表4)平面No.(符號)X坐標值Y坐標值Z坐標值 關(guān)于X軸的旋轉(zhuǎn)角度(度)1(P) 0 0 002(5aR6)0 0 13 03(6) 0 0 16.4 04(8) 0 0 14.7 305(5bR4)0 2.9356 16.4 06(5aR3)0 8.8127213 07(5bR2)0 14.68984 16.4 08(5bR1)0 20.56697 13 09(5c)0 23.33426 14.7 2910(5aR0) 0 23.33426 13 011(11a) 0 23.33426 12.9 012(11b) 0 23.33426 10.9 013(2)0 23.86418 3.72563 0當對于本具體例子計算衍射效率時，-5°、0°和+5°的視角處的主光線的主要衍射效率波長，以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的光線的主要衍射效率波長，如下表5所示。
(表5)視角 -5°0° +5°光瞳坐標 末端 531 531.9 530.9中心 531.4 531.9 531.5從表5可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖5中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖5可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角θ1為0.05°，并且這些主光線衍射/反射時的反射/衍射角θ2為0°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
進而，在本工作構(gòu)造的具體例子的反射型HOE 6的情況下，第一光源和第二光源在反射型HOE 6的法線方向上具有相對的取向，并且第一光源在無窮遠的距離處。因此，當制造本工作構(gòu)造的反射型HOE6時，參考光線是平面波，并且物體光線是穿過由曝光透鏡形成的曝光透鏡系統(tǒng)的非球面波陣面，所述曝光透鏡產(chǎn)生相當于設(shè)計的相位系數(shù)的相位變換效應(yīng)的波陣面。在這種情況下，能夠在反射型HOE 6的法線方向上同軸地設(shè)置參考光線和物體光線，所以得到了曝光光學系統(tǒng)的容易的軸向排列的優(yōu)點。
將本工作構(gòu)造中的反射型HOE 6加入到板狀部分5的表面5b的區(qū)域R5；該反射型HOE 6的有效區(qū)域和相同表面5b上的區(qū)域R4在空間關(guān)系上重疊。因此，當區(qū)域R4完全反射來自圖像形成元件的光束時，該光束穿過反射型HOE 6。將檢查這個的效果。由于設(shè)置本工作構(gòu)造中的θR和θ0，以便θR＝0°，并且θ0＝180°，所以波長偏移現(xiàn)象根據(jù)等式(10)行動。
λC/λR＝cosθC……(10)這里，θC是感光乳劑中的入射角；因此，等式(10)能夠被改寫如下，其中，θC1是板狀部分內(nèi)部的入射角，n1是折射率，而n2是感光乳劑的折射率
λC/λR＝cos[arcsin{(n1/n2)×sinθC1}]……(11)當光束穿過板狀部分內(nèi)部的區(qū)域R4時，HOE 6上的入射角大約為60°。假設(shè)θC1＝60°，那么等式(11)中的λC/λR的值為0.372，并且在本工作構(gòu)造的曝光波長λR為532nm的情況下，λC＝198nm。
具體地，可以看出，當光線以60°的入射角在區(qū)域R4中的本工作構(gòu)造的反射型HOE 6上入射時，主要衍射波長為198nm。在用作光源的LED 3中不包括這樣的短波長光譜。因此，即使來自圖像形成元件的光線在區(qū)域R4中的反射型HOE 6上入射，也不會發(fā)生衍射，并且光線被具有空氣的界面簡單地全反射，所以對圖像聚焦不存在有害的影響。
甚至在將本工作構(gòu)造中的曝光波長設(shè)置在647nm的紅色光線的情況下，類似地計算也表明，區(qū)域R4中的主要衍射波長為241nm；由于這在紫外線區(qū)域中，故可以看出對圖像聚焦不存在有害的影響。因此，在本工作構(gòu)造的具體例子中，如稍后說明的第二和第三工作構(gòu)造中那樣，通過設(shè)計對應(yīng)于R、G和B的HOE 6并多路傳輸，能夠得到全色圖像顯示裝置。
第二工作構(gòu)造圖6是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第二工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造和該圖像顯示裝置中的光線(僅僅是來自圖像形成元件2的光線)的路徑的示圖。在圖6中，用同樣的符號標記和圖1中的元件相同或相對應(yīng)的元件，并且省略了多余的說明。進而，從圖6中略去了構(gòu)成圖1中顯示的光源的LED 3和反光鏡4的描述。進而，(a)是總體示意圖，而(b)是部分B的局部放大圖。
本工作構(gòu)造基本上不同于第一工作構(gòu)造之處在于，以插入空隙的方式在板狀部分5的表面5b的外部安裝分離的薄板狀部分21。進而，在位于面對用戶視線位置的用戶一側(cè)的板狀部分21的表面21a上布置λ/4板7和反射型HOE 6。
此外，在本工作構(gòu)造中，在這樣的取向上布置λ/2板9的軸，所述取向是這樣的，以致于來自圖像形成元件的線性偏振光被轉(zhuǎn)換成在X軸的方向上偏振的線性偏振光。由于當在PBS 8上入射時該光線為S偏振光，所以光線被PBS 8反射，并且被λ/4板7轉(zhuǎn)換成圓形偏振光，所以光線服從反射型HOE 6的反射/衍射作用和圖像聚焦作用。然后，光線再次穿過λ/4板，并被轉(zhuǎn)換成P偏振光；當該光線再次在PBS 8上入射時，光線被朝著用戶眼睛的方向轉(zhuǎn)送。進而，在本工作構(gòu)造中未使用光線傳導部分11；在板狀部分的左上部形成表面5d，并且該表面5d具有旋轉(zhuǎn)對稱非球面形狀。
另外，三色LED用作構(gòu)成光源的LED 3。圖18顯示了LED 3的發(fā)射光譜。在圖18中，線LR指示LED 3的紅光發(fā)射部分的發(fā)射光譜，線LG指示LED 3的綠光發(fā)射部分的發(fā)射光譜，而線LB指示LED3的藍光發(fā)射部分的發(fā)射光譜。如從圖18看到的那樣，LED 3發(fā)射的光線，在R(紅色)波長范圍、G(綠色)波長范圍和B(藍色)波長范圍的各自波長范圍中，具有各自的峰值波長，并且在于各自的峰值波長的任一側(cè)延伸的各自波長范圍中，具有各自的強度。該LED 3的R波長范圍中的峰值波長處的光譜強度的半幅全寬為23nm，G波長范圍中的峰值波長處的光譜強度的半幅全寬為60.8nm，而B波長范圍中的峰值波長處的光譜強度的半幅全寬為29nm。這些要點同樣適用于稍后說明的各個工作構(gòu)造。
<第一具體例子>
參考附圖6來說明本工作構(gòu)造的第一具體例子。這個具體例子的光學量如下出射光瞳P的直徑為3mm。附圖中的頁平面之內(nèi)的向上方向的視場角為5°。附圖中的頁平面之內(nèi)的向下方向的視場角為-5°。頁深度方向的視場角為±6.67°。附圖中的頁平面中的屏幕尺寸(亦即圖1中的點A1和點A2之間的長度)為3.6mm。頁深度方向的屏幕尺寸為4.8mm。板狀部分5的厚度d為3.4mm。板狀部分5使用和上述第一工作構(gòu)造的具體例子中的材料相同的材料。
進而，在下面的表6中顯示了用于這個第一具體例子中的光線追蹤的不同數(shù)量。光學平面的順序(平面號碼的順序)從用戶眼睛的瞳孔平面(＝圖像組合器1的出射光瞳P的平面)走向圖像形成元件2。這里，和用于校正液晶屏的照明光線的偏振的寬帶相對應(yīng)的極薄片狀波長板用作λ/4板7和λ/2板9。由于能夠忽略厚度，所以這在光線追蹤中被省略。這在本發(fā)明的其他工作構(gòu)造中同樣有效。
(表6)平面號碼(符號)曲率半徑 介質(zhì)nd vd1(P) 無窮大2(5aR7) 無窮大 1.593947 34.993(5bR6) 無窮大4(6) 無窮大 反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REA HV2VIRHX10.00E+00HY10.00E+00 HZ1-1.0000E+20HX20.00E+00HY20.00E+00 HZ2-3.9313E+20相位系數(shù)C2-6.4453E-05 C37.2525E-05C4-3.2871E-05C57.5531E-06 C6-7.3339E-07 C7-1.0785E-08C88.0622E-09 C9-5.9905E-10 C101.4388E-115(5bR6) 無窮大 1.593947 34.996(8) 無窮大 1.593947 34.99反射平面
7(5bR5) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面8(5aR4) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面9(5bR3) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面10(5aR2) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面11(5bR1) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面12(5c) 7.37496非球面表面K 0A-1.3468E-03 B5.0318E-05 C4.0988E-07D-2.0478E-07 E2.8577E-09 F2.9011E-10G-1.0642E-12 H-4.9642E-13 J9.8608E-1513(2) 無窮大表4中使用的HOE平面的相位函數(shù)的規(guī)定表達為旋轉(zhuǎn)對稱多項式方程，其中HOE表達為R2＝X2+Y2；因此，系數(shù)是R2的升冪，從R2到R20。
具體地，用下面的公式表達相位方程Σj=110CjR2j]]>進而，平面No.12的非球面表面表達了由下面的方程規(guī)定的更高階非球面表面Z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12+Fr14+Gr16+H18+Jr20]]>這里，r2＝x2+y2，c為曲率，k為圓錐常數(shù)，而A、B、C、D、E、F、G、H和J是非球面表面系數(shù)。
進而，關(guān)于本具體例子中的各個光學平面的位置關(guān)系，在下面的表7中顯示了以第一平面(平面No.1＝圖1中的符號P)的中心取作原點(X，Y，Z)＝(0，0，0)的方式的各個光學平面的中心的絕對位置，以及關(guān)于X軸的這些平面的旋轉(zhuǎn)量(以逆時針旋轉(zhuǎn)取作正數(shù)的方式測量的值)。
(表7)平面No.(符號)X坐標值 Y坐標值 Z坐標值 關(guān)于X軸的旋轉(zhuǎn)角度(度)1(P) 0.00000.00000.0000 0.00002(5aR7)0.00000.000013.0000 0.00003(5bR6)0.00000.000016.4000 0.00004(6) 0.00000.000016.5000 0.00005(5bR6)0.00000.000016.4000 0.00006(8) 0.00000.000014.7000 30.00007(5bR5)0.00000.000016.4000 0.00008(5aR4)0.00000.000013.0000 0.00009(5bR3)0.00000.000016.4000 0.000010(5aR2) 0.00000.000013.0000 0.000011(5bR1) 0.00000.000016.4000 0.000012(5c) 0.000033.0000 12.6444 -59.948513(2)0.000038.1935 9.6397 -59.9485當對于本具體例子計算衍射效率時，-5°、0°和+5°的視角處的主光線的主要衍射效率波長，以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表8所示。
(表8)視角-5° 0° +5°光瞳坐標 末端531 531.9531中心531.3531.9531.3從表8可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖7中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖7可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射處的入射角θ1為0°，并且這些主光線的衍射/反射時的反射/衍射角θ2也為0°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
<第二具體例子>
下面來說明本工作構(gòu)造的第二具體例子。這個具體例子的構(gòu)造和圖6中顯示的第一具體例子的構(gòu)造完全相同；只有反射型HOE 6的曝光波長和相位系數(shù)是不同的。在下面的表9中顯示了這個第二具體例子中的反射型HOE 6的相位系數(shù)。
(表9)平面號碼(符號) 曲率半徑4(6)無窮大反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REA HV2VIRHX10.0000E+00HY10.0000E+00HZ1-1.0000E+20HX20.0000E+00HY20.0000E+00HZ2-3.8702E+01相位系數(shù)C23.5403E-04 C3-2.0145E-04C46.5092E-05C5-9.0691E-06C6-2.6084E-07C72.5628E-07C8-3.3670E-08C91.8982E-09 C10-4.0511E-11當對于本具體例子計算衍射效率時，-5°、0°和+5°的視角處的主光線的主要衍射效率波長，以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表10所示。
(表10)視角-5° 0° +5°光瞳坐標末端475.6476.4475.6中心475.9476.4475.9可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖8中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖8可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射處的入射角θ1為0°，并且這些主光線的衍射/反射時的反射/衍射角θ2也為0°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
<第三具體例子>
進而，將說明本工作構(gòu)造的第三具體例子。這個具體例子的構(gòu)造和圖6中顯示的第一具體例子的構(gòu)造完全相同只有反射型HOE 6的曝光波長和相位系數(shù)是不同的。在下面的表11中顯示了這個第三具體例子中的反射型HOE 6的相位系數(shù)。
(表11)平面號碼(符號) 曲率半徑介質(zhì)nd vd4(6) 無窮大 反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REAHV2VIRHX10.0000E+00 HY10.0000E+00HZ1-1.0000E+20HX20.0000E+00 HY20.0000E+00HZ2-3.8578E+01相位系數(shù)C29.0264E-08 C33.8658E-05 C4-2.5888E-05C51.1089E-05 C6-3.0443E-06C75.0395E-07C8-4.7722E-08 C92.3657E-09 C10-4.7456E-11當對于本具體例子計算衍射效率時，-5°、0°和+5°的視角處的主光線的主要衍射效率波長，以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表12所示。
(表12)視角-5° 0° +5°光瞳坐標 末端645.7646.9645.7中心646.2646.9646.2可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖9中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖9可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射處的入射角θ1為0°，并且這些主光線的衍射/反射時的反射/衍射角θ2也為0°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
在本工作構(gòu)造中，由于以插入空隙的方式安裝了另一個板狀部分21，所以即使板狀部分5的表面5b的轉(zhuǎn)送表面區(qū)域R7和R6與反射表面區(qū)域R5重疊，λ/4板7和反射型HOE 6也和反射表面區(qū)域R5光學隔離，所以當區(qū)域R5反射光線時，能夠防止λ/4板7或反射型HOE 6的光學效應(yīng)。因此，能夠在這樣的位置布置λ/4板7和反射型HOE 6，所述位置在空間關(guān)系上基本上相當于區(qū)域R7。從而，能夠?qū)ⅵ?4板7的尺寸保持到只是區(qū)域R7和R6的有效直徑的必要的最小限制。這個另外的板狀部分21的尺寸可以是滿足于覆蓋λ/4板7和反射型HOE 6的尺寸的任何尺寸；然而，考慮到當這用作目鏡類型的圖像組合器時的外觀，同樣可以使用和板狀部分5，亦即作為整體的目鏡相等的尺寸。
進而，另外的板狀部分21可以擁有具有曲率的形狀。例如，可以以具有校正用戶的視覺靈敏度的能力的形狀形成該板狀部分21，如本發(fā)明人在日本專利申請No.2002-178363中所提議的那樣。
此外，在本工作構(gòu)造中，不像第一工作構(gòu)造，不存在由HOE平面造成的來自圖像形成元件的光線的多次反射。如上面已經(jīng)確定的那樣，這種多次反射在第一工作構(gòu)造中沒有影響。然而，在設(shè)計條件改變以致這樣的影響出現(xiàn)的情況下，通過使用諸如本工作構(gòu)造那樣的構(gòu)造，能夠安全地消除多次反射的影響。
在本工作構(gòu)造中，不用說，第一到第三具體例子可以形成為各自不同的單色圖像顯示裝置。然而，通過分別疊加第一到第三具體例子的反射型HOE 6，同樣可以形成三層結(jié)構(gòu)。進而，通過這樣的方法，同樣能夠獲得類似的多路傳輸?shù)姆瓷湫虷OE 6，其中，在所述方法中，在對寬波段的波長光敏的單層感光乳劑中，或者，在以插入阻擋層的方式預先加入對應(yīng)于各自波長范圍的具有光敏效應(yīng)的三個光敏和記錄層的感光乳劑中，曝光對應(yīng)于第一到第三具體例子的R、G和B的HOE。
在這種情況下，當來自LED的三個波長范圍的光線穿過圖像形成元件時，可以將圖像顯示元件的一個顯示單元空間地劃分成三個部分，并且這些可以分別用作對應(yīng)于R、G和B的點，以便顯示相應(yīng)的圖像?？蛇x擇地，可以時間地劃分一個顯示單元，以便例如每1/90秒切換并顯示分別對應(yīng)于R、G和B的圖像，并且LED的三個波長范圍的光線的發(fā)射時間選擇可以和這同步。于是，各個波長范圍的圖像信息服從相應(yīng)的HOE層中的衍射效應(yīng)和圖像聚焦效應(yīng)，所以通過在光線被傳導到用戶的瞳孔之后加色混和，能夠獲得全色圖像。這同樣適用于稍后說明的第三工作構(gòu)造。
圖10顯示了當對于通過上述方法中的一種來多路復用本工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的反射型HOE 6的使用反射型HOE的圖像顯示裝置進行從用戶眼睛的瞳孔到圖像形成元件的光線追蹤時對屏幕上的幾個點研究和繪制的圖像形成元件的表面上的R、G和B點的位置偏離。X軸和Y軸的單位為mm。點的位置偏離被校正到大約20μm以下，所以能夠獲得好的彩色圖像。進而，由于圖像形成元件的尺寸為3.6×4.8mm，所以通過和這個尺度相比較，同樣能夠評估光學系統(tǒng)的失真。如圖10中顯示的那樣，對于各個具體例子的光學系統(tǒng)滿意地校正了失真。
此外，圖11顯示了當在類似地進行多路復用的情況下進行從用戶眼睛的瞳孔到圖像形成元件的光線追蹤時關(guān)于Y方向上的視角變化的三種顏色的亮度平衡(a)以及關(guān)于瞳孔的Y坐標的變化的亮度平衡(b)。這里，通過對波長和孔徑形狀積分由反射型HOE 6反射的反射光線的衍射強度，得到亮度，并且亮度以兩種情況下的最亮點取作1的方式被標準化。(a)中看到的光線的輕微外圍衰減是由于幾何光學漸暈。由于主衍射波長中的波長偏移極小，所以在屏幕或瞳孔平面之內(nèi)幾乎不存在由于衍射效率的衰減；這樣一來就可以看出得到了好的圖像顯示。
另外，在本工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的所有反射型HOE 6中，沿HOE 6的法線方向的相對方向上取向第一光源和第二光源，并且第一光源在無窮遠的距離處。進而，相位系數(shù)被表達為旋轉(zhuǎn)對稱系數(shù)。因此，當制造第一到第三具體例子的反射型HOE 6時，參考光線是平行光線，并且從旋轉(zhuǎn)對稱非球面透鏡或產(chǎn)生同等波陣面的多個球面透鏡構(gòu)造產(chǎn)生物體光線的曝光透鏡；參考光線和物體光線能夠在HOE 6的法線方向上同軸地設(shè)置，這樣一來就提供了曝光光學系統(tǒng)的簡化的軸向排列的優(yōu)點。曝光透鏡對R、G和B各不相同，但是軸是同軸的；因此，使用諸如轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)動架之類的結(jié)構(gòu)能夠連續(xù)調(diào)換透鏡，或者通過使用諸如二向棱鏡之類的元件混和三種顏色的波陣面，同樣能夠容易地設(shè)置進行同時曝光的構(gòu)造。
第三工作構(gòu)造圖12是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第三工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造和該圖像顯示裝置中的光線(僅僅是來自圖像形成元件2的光線)的路徑的示圖。在圖12中，用同樣的符號標記和圖1中的元件相同或相對應(yīng)的元件，并且省略了多余的說明。進而，從圖12中略去了構(gòu)成圖1中顯示的光源的LED 3和反光鏡4。進而，(a)是顯示總體構(gòu)造的示意圖，而(b)是部分C的局部放大圖。
本工作構(gòu)造基本上不同于上述第一工作構(gòu)造之處在于，在板狀部分5內(nèi)部布置λ/4板7和反射型HOE 6。進而，在這樣的方向上布置λ/2板9的軸，所述方向是這樣的，以致于來自圖像形成元件2的線性偏振光是在X軸的方向上偏振的線性偏振光。具體地，由于該光線在PBS 8上作為P偏振光入射，所以光線穿過PBS 8，并且在λ/4板7上入射，所以光線被轉(zhuǎn)換成了圓形偏振光；然后該光線受到由反射型HOE 6造成的反射/衍射效應(yīng)和圖像聚焦效應(yīng)。隨后，光線再次穿過λ/4板7，并且被轉(zhuǎn)換成具有S偏振的線性偏振光。在這之后光線再次在PBS 8上入射，并且朝著用戶眼睛的方向反射。這里，在從當從法線方向來看時Y軸投影的直線任一±45°的方向上布置λ/4板7的軸。進而，在本工作構(gòu)造中，使用了光線傳導部分31，其為具有凸彎月面形狀的球面透鏡，在板狀部分的左上部上形成表面5e，并且該表面5e具有球面形狀。此外，如第二工作構(gòu)造中的那樣，三色LED用作構(gòu)成光源的LED 3。
<第一具體例子>
參考圖12來說明本工作構(gòu)造的第一具體例子。這個具體例子的光學量如下出射光瞳P的直徑為3mm。不像上述第一和第二工作構(gòu)造，附圖中的頁平面之內(nèi)的向上方向的視場角為0°，并且附圖中的頁平面之內(nèi)的向下方向的視場角為-10°。頁深度方向的視場角為±6.67°。附圖中的頁平面中的屏幕尺寸(亦即圖1中的點A1和點A2之間的長度)為3.6mm。頁深度方向的屏幕尺寸為4.8mm。板狀部分5的厚度d為3.6mm。板狀部分5使用和上述第一工作構(gòu)造的具體例子中的材料相同的材料。在下面的表13中顯示了用于在這個第一具體例子中光線追蹤的不同的量。光學平面的順序(平面號碼的順序)從用戶眼睛的瞳孔平面(＝圖像組合器1的出射光瞳P的平面)走向圖像形成元件2。
(表13)平面號碼(符號) 曲率半徑 介質(zhì)nd vd1(P) 無窮大132(5aR4) 無窮大1.593947 34.993(8) 無窮大1.593947 34.99反射平面4(6) 無窮大1.593947 34.99反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REA HV2REAHX10.00E+00 HY10.00E+00 HZ1-1.0000E+20HX20.00E+00 HY20.00E+00 HZ25.9747E+015(5bR3) 無窮大1.593947 34.99反射平面6(5aR2) 無窮大1.593947 34.99反射平面7(5bR1) 無窮大1.593947 34.99反射平面8(5e) 49.65079(31a) -10.0902 1.523362 66.8310(31b)-28.283811(2) 無窮大進而，關(guān)于本具體例子中的各個光學平面的位置關(guān)系，在下面的表14中顯示了以第一平面(平面No.1＝圖1中的符號P)的中心取作原點(X，Y，Z)＝(0，0，0)的方式的各個光學平面的中心的絕對位置，以及關(guān)于X軸的這些平面的旋轉(zhuǎn)量(以逆時針旋轉(zhuǎn)取作正數(shù)的方式測量的值)。
(表14)平面No.(符號)X坐標值Y坐標值Z坐標值關(guān)于X軸的旋轉(zhuǎn)角度(度)1(P) 0 0 0 02(5aR4)0 0 13 03(8) 0 0 14.245 354(6) 0 -3.47896 14.44718 72.12295(5bR3)0 0 16.6 06(5aR2)0 0 13 07(5bR1)0 0 16.6 08(5e)0 34.21702 13.05283 -71.12419(31a) 0 34.40626 12.98813 -71.124110(31b) 0 40.556710.88525 -71.124111(2)0 47.02399 8.67404-71.1241當對于本具體例子計算衍射效率時，-10°、-5°和0°的視角處的主光線的主要衍射效率波長以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表15所示。
(表15)視角-10°-5° 0°光瞳坐標 末端530.3531.8531.5中心530.7531.9531.6可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖13中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖13可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角θ1為1°，并且這些主光線的衍射/反射時的反射/衍射角θ2為1°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
<第二具體例子>
下面來說明本工作構(gòu)造的第二具體例子。這個具體例子的構(gòu)造和圖12中顯示的第一具體例子的構(gòu)造完全相同；只有用于反射型HOE 6的曝光波長和兩個光束的規(guī)定是不同的。在下面的表16中顯示了這個具體例子中的反射型HOE 6的不同的量。
(表16)平面號碼(符號)曲率半徑 介質(zhì)nd vd4(6) 無窮大 1.593947 34.99 反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REAHV2REAHX10.00E+00 HY10.00E+00 HZ1-1.0000E+20HX20.00E+00 HY20.00E+00 HZ26.0618E+01當對于本具體例子計算衍射效率時，-10°、-5°和0°的視角處的主光線的主要衍射效率波長以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表17所示。
(表17)視角-10°-5° 0°光瞳坐標 末端475.0476.3476.2中心475.3476.3476.2可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖14中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖14可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角θ1為0.985°，并且這些主光線的衍射/反射時的反射/衍射角θ2為0.985°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
<第三具體例子>
下面來說明本工作構(gòu)造的第三具體例子。這個具體例子的構(gòu)造和圖12中顯示的第一具體例子的構(gòu)造完全相同；只有用于反射型HOE 6的曝光波長和兩個光束的規(guī)定是不同的。在下面的表18中顯示了這個具體例子中的反射型HOE 6的不同的量。
(表18)平面號碼(符號) 曲率半徑 介質(zhì)nd vd4(6)無窮大1.593947 34.99 反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REA HV2REAHX10.00E+00 HY10.00E+00HZ1-1.0000E+20HX20.00E+00 HY20.00E+00HZ25.8238E+01當對于本具體例子計算衍射效率時，-10°、-5°和0°的視角處的主光線的主要衍射效率波長以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表19所示。
(表19)視角-10°-5° 0°光瞳坐標 末端645 646.7646.6中心645.3646.7646.3可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者瞳孔坐標的變化一起波動。進而，在圖15中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖15可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角θ1為1.02°，并且這些主光線的衍射/反射時的反射/衍射角θ2為1.02°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
圖16顯示了當在多路復用本工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的反射型HOE以用和上述第二工作構(gòu)造中同樣的方式獲得三色HOE的情況下進行從用戶眼睛的瞳孔到圖像形成元件的光線追蹤時對屏幕上的幾個點研究和繪制的圖像形成元件的表面上的R、G和B點的位置偏離。X軸和Y軸的單位為mm。點的位置偏離被校正到大約29μm或以下，所以能夠獲得好的全色圖像。
進而，圖17顯示了當在類似地進行多路復用的情況下進行從用戶眼睛的瞳孔到圖像形成元件的光線追蹤時關(guān)于Y方向上的視角變化的三種顏色的亮度平衡(a)以及關(guān)于瞳孔的Y坐標的變化的亮度平衡(b)。這里，通過對波長和孔徑形狀積分由反射型HOE 6反射造成的反射光線的衍射強度，得到亮度。(a)中看到的光線的外圍衰減是由于幾何光學漸暈。
進而，在本工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的所有反射型HOE 6中，沿反射型HOE 6的法線方向在相對方向上取向第一光源和第二光源，并且第一光源在無窮遠的距離處。進而，未設(shè)置相位系數(shù)。因此，當制造第一到第三具體例子的反射型HOE 6時，使用參考光線為平面波而物體光線為球面波的簡單構(gòu)造，能夠在反射型HOE 6法線方向上同軸地設(shè)置參考光線和物體光線，所以獲得了曝光光學系統(tǒng)的簡化的軸向排列的優(yōu)點。使用具有各自不同焦距的顯微鏡物鏡可以調(diào)換曝光透鏡，或者使用產(chǎn)生軸向像差的單一類型的曝光透鏡能夠產(chǎn)生對應(yīng)于R、G和B的球面波。如果使用單一類型的曝光透鏡混和三種顏色的波陣面，那么能夠在單一軸上預先合成三種顏色的激光，并且能夠以簡單的方式設(shè)置以適當設(shè)置光線的各自量的比率的方式進行同時曝光的構(gòu)造。
此外，在上述各個工作構(gòu)造中，PBS用作圖像組合器的部分；同樣可以向該PBS的薄膜特性賦予波長選擇性。以此方式，可以提高外部世界光線的透視性。在這種情況下，可以在考慮薄膜的入射角特性的條件下確定PBS膜的波長選擇性的峰值波長和半幅寬度。在能夠忽略根據(jù)入射角的特性變化的情況下，希望HOE的波長選擇性的峰值波長和半幅寬度基本上是同樣的；然而，同樣可以冒險使用比HOE的波長選擇性的波長寬度窄的設(shè)置，并且在減少來自圖像顯示表面的光線的像差的效果下使用這種設(shè)置。
相反地，同樣可以優(yōu)先考慮降低成本，并且使用普通的半透明反射鏡。在這種情況下，由于來自圖像形成元件的光束穿過半透明反射鏡兩次，所以到光線到達用戶眼睛的瞳孔時，光線的量減少到了1/4。因此，有必要增加照明圖像形成元件的LED的光線的量。
第四工作構(gòu)造圖19是顯示構(gòu)成本發(fā)明的第四工作構(gòu)造的圖像顯示裝置的構(gòu)造和該圖像顯示裝置中的光線(僅僅是來自圖像形成元件2的光線)的路徑的示圖。在圖19中，用同樣的符號標記和圖1中的元件相同或相對應(yīng)的元件，并且省略了多余的說明。進而，從圖19中略去了構(gòu)成圖1中顯示的光源的LED 3和反光鏡4。
本工作構(gòu)造基本上不同于上述第三工作構(gòu)造之處僅在于PBS和HOE布置的角度，以及在于粘合透鏡用作光線傳導部分41。具體地，在光線傳導部分中使用了粘合凸透鏡和凹透鏡的透鏡。41a到41c是用于獲得和平面號碼的對應(yīng)的符號。
<第一具體例子>
參考圖19來說明本工作構(gòu)造的第一具體例子。這個具體例子的光學量如下出射光瞳P的直徑為3mm。不像上述第一和第二工作構(gòu)造，附圖中的頁平面之內(nèi)的向上方向的視場角為0°，并且附圖中的頁平面之內(nèi)的向下方向的視場角為-9°。頁深度方向的視場角為±6°。附圖中的頁平面中的屏幕尺寸(亦即圖1中的點A1和點A2之間的長度)為3.6mm。頁深度方向的屏幕尺寸為4.8mm。板狀部分5的厚度d為3.6mm。nd＝1.583和vd＝29.9的材料用于板狀部分5。在下面的表20中顯示了用于在這個第一具體例子中光線追蹤的不同的量。HOE的曝光波長為532nm。光學平面的順序(平面號碼的順序)從用戶眼睛的瞳孔平面(＝圖像組合器1的出射光瞳P的平面)走向圖像形成元件2。
(表20)平面號碼(符號)曲率半徑 介質(zhì)nd vd1(P) 無窮大2(5aR2) 無窮大 1.583 29.93(8) 無窮大 1.583 29.9 反射平面4(6) 無窮大 1.583 29.9 反射平面全息平面兩個光束的規(guī)定HV1REA HV2REAHX10.00E+00HY10.00E+00 HZ1-1.0000E+20HX20.00E+00HY20.00E+00 HZ20.359436E+025(5bR1) 無窮大 1.583 29.9 反射平面6(5e) 無窮大7(41a)無窮大 1.59551 39.28(41b)-5.44919 1.54250 62.99(41c)12.112710(2)無窮大進而，關(guān)于本具體例子中的各個光學平面的位置關(guān)系，在下面的表21中顯示了以第一平面(平面No.1＝圖1中的符號P)的中心取作原點(X，Y，Z)＝(0，0，0)的方式的各個光學平面的中心的絕對位置，以及關(guān)于X軸的這些平面的旋轉(zhuǎn)量(以逆時針旋轉(zhuǎn)取作正數(shù)的方式測量的值)。
(表21)平面No.(符號)X坐標值Y坐標值Z坐標值關(guān)于X軸的旋轉(zhuǎn)角度(度)1(P) 0 0 0 02(5aR2)0 0 13 03(8) 0 0 14394(6) 0 -3.38598 14.53864 80.8415(5bR1)0 0 16.6 06(5e)0 22.90849 14.47439 -87.13647(41a) 0 23.895814.1956-77.14018(41b) 0 25.35817 13.86174 -71.14019(41c) 0 28.28293 13.19404 -71.140110(2)0 37.49641 11.09066 -71.1401當對于本具體例子計算衍射效率時，-9°、-4.5°和0°的視角處的主光線的主要衍射效率波長以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表22所示。
(表22)視角-9° -4.5° 0°光瞳坐標 末端531.1531.9531.1中心531.5531.9531.5可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖20中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖20可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角θ1為0.01°，并且這些主光線衍射/反射時的反射/衍射角θ2為0.01°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
<第二具體例子>
僅僅除了HOE的曝光波長為476.5nm之外，第二具體例子的其他條件和第一具體例子的條件是一樣的。當對于本具體例子計算衍射效率時，-9°、-4.5°和0°的視角處的主光線的主要衍射效率波長以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表23所示。
(表23)視角-9° -4.5° 0°光瞳坐標 末端475.7476.4475.7中心476.1476.4476.1可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖21中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖21可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。
在本具體例子中，從圖像顯示裝置的顯示部分的中心發(fā)射的主光線在反射型全息光學元件上入射處的入射角θ1為0.03°，并且這些主光線衍射/反射時的反射/衍射角θ2為0.03°，所以滿足了上述條件。結(jié)果，如從已經(jīng)說明的內(nèi)容中看到的那樣，在根據(jù)視線角的衍射波長中不存在偏移，所以能夠改善顯示圖像的圖像質(zhì)量。
<第三具體例子>
僅僅除了HOE的曝光波長為647nm之外，第三具體例子的其他條件和第一具體例子的條件是一樣的。當對于本具體例子計算衍射效率時，-9°、-4.5°和0°的視角處的主光線的主要衍射效率波長以及各個視角處的光瞳坐標的末端和中心處的主光線的主要衍射效率波長，如下表24所示。
(表24)視角-9° -4.5° 0°光瞳坐標 末端645.9646.9645.9中心646.3646.9646.4可以看出，主要衍射效率波長顯示幾乎不和視角的變化或者光瞳坐標的變化一起波動。進而，在圖22中顯示了用于顯示本具體例子中的光學系統(tǒng)的圖像聚焦性能的橫向像差示圖。在單個示圖中針對每個視角同時顯示了具有±5nm的主衍射波長的光線的橫向像差。從圖22可以看出，在視角之內(nèi)的整個區(qū)域之上存在很小的像差，所以圖像聚焦性能是較高的。入射角θ1為0.01°，并且反射/衍射角θ2為0.01°。
圖23顯示了當在多路復用本工作構(gòu)造的第一到第三具體例子的反射型HOE以用和上述第二工作構(gòu)造中同樣的方式獲得三色HOE的情況下進行從用戶眼睛的瞳孔到圖像形成元件的光線追蹤時對屏幕上的幾個點研究和繪制的圖像形成元件的表面上的R、G和B點的位置偏離。點的位置偏離被校正到大約10μm或以下，所以能夠獲得好的全色圖像。
進而，圖24顯示了當在類似地進行多路復用的情況下進行從用戶眼睛的瞳孔到圖像形成元件的光線追蹤時關(guān)于Y方向上的視角變化的三種顏色的亮度平衡(a)以及關(guān)于光瞳的Y坐標的變化的亮度平衡(b)。
這里，亮度和衍射效率兩者都以最亮點取作1的方式標準化。(a)中看到的光線的外圍衰減是由于幾何光學漸暈。
本工作構(gòu)造中尤其要注意的問題是，由于第二光源的坐標對于RGB是一樣的，所以在多次曝光期間使用單個的球面波產(chǎn)生裝置能夠同時達到多次曝光。進而，由于PBS上的入射角為42°，所以可以設(shè)置具有高消光系數(shù)的PBS膜。
上面說明了本發(fā)明的各個工作構(gòu)造以及這些工作構(gòu)造的具體例子。然而，本發(fā)明并不限于這些工作構(gòu)造或具體例子。例如，上述各個工作構(gòu)造是使用本發(fā)明的圖像組合器構(gòu)造頭戴圖像顯示裝置的例子。然而，同樣能夠構(gòu)造上述各個工作構(gòu)造中使用的各個圖像組合器1以便允許在攝像機、顯微鏡和雙筒望遠鏡的目鏡部分上安裝，或者這些圖像組合器同樣能夠并入到照相機、顯微鏡、雙筒望遠鏡等等之中。
上述本發(fā)明的工作構(gòu)造使得可以抑制關(guān)于視線角變化的衍射效率中的波長偏移現(xiàn)象。因此，可以獲得直到屏幕的外圍和光瞳的外圍都不顯示光線的量的損失的明亮的觀察圖像。進而，由于能夠在HOE平面的法線方向上的一個軸上設(shè)置曝光期間的參考光線和物體光線，所以曝光光學系統(tǒng)的布置和調(diào)整極其簡單。此外，由于使用的構(gòu)造是具有屈光力的表面關(guān)于光軸根本不偏心的構(gòu)造，所以本發(fā)明的主要特征是不產(chǎn)生偏心像差；結(jié)果，使用簡單的構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的光學系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種圖像組合器，其中安裝了反射型全息光學元件，并且來自圖像形成裝置的光線和穿過主體的光線被疊加，并且其中，從圖像形成裝置發(fā)出的光線僅僅具有單一波長范圍成分或多個離散的波長范圍成分，并且在從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件的表面上入射的入射角和反射/衍射角之間，建立如下的條件-5＜θ1＜5，并且|θ1-θ2|＜3θ1為從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角(°)，θ2為從顯示部分的中心發(fā)出的主光線被反射型全息光學元件衍射/反射時的反射/衍射角(°)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像組合器，其中-3＜θ1＜3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像組合器，其中|θ1-θ2|＜2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像組合器，其中，反射型全息光學元件是體元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像組合器，其中，反射型全息光學元件具有屈光力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像組合器，其中，來自圖像形成裝置的主光線的發(fā)射方向是基本上垂直于圖像形成裝置的顯示部分的表面的方向。
7.一種圖像顯示裝置，包含根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任何一個的圖像組合器和圖像形成裝置，其中，在使用期間，在靠近用戶眼睛附近使用至少包含圖像組合器的部分。
8.一種圖像顯示裝置，其中安裝了反射型全息光學元件并且顯示來自圖像形成裝置的光線，并且其中，從圖像形成裝置發(fā)出的光線僅僅具有單一波長范圍成分或多個離散的波長范圍成分，并且在從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件的表面上入射的入射角和反射/衍射角之間，建立如下的條件-5＜θ1＜5，并且|θ1-θ2|＜3，θ1為從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角(°)，θ2為從顯示部分的中心發(fā)出的主光線被反射型全息光學元件衍射/反射時的反射/衍射角(°)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的圖像顯示裝置，其中-3＜θ1＜3。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的圖像顯示裝置，其中|θ1-θ2|＜2。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的圖像顯示裝置，其中，反射型全息光學元件是體元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的圖像顯示裝置，其中，反射型全息光學元件具有屈光力。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的圖像顯示裝置，其中，來自圖像形成裝置的主光線的發(fā)射方向是基本上垂直于圖像形成裝置的顯示部分的表面的方向。
14.一種圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，由來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像被疊加在來自外部世界的光線上而形成雙重圖像，其中，該圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的偏振光束分光器，以及當從這個偏振光束分光器來看時在外部世界一側(cè)布置的1/4波長板，反射型全息光學元件布置在1/4波長板的外部世界一側(cè)，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線以偏振狀態(tài)在光轉(zhuǎn)送體上入射，以便偏振光束分光器反射該光線，該光線在偏振光束分光器上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，光線被偏振光束分光器反射并穿過1/4波長板，然后光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線再次穿過1/4波長板，然后光線穿過偏振光束分光器，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
15.一種圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，由來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像被疊加在來自外部世界的光線上而形成雙重圖像，其中，該圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的偏振光束分光器，以及當從這個偏振光束分光器來看時在外部世界一側(cè)布置的1/4波長板，并且布置在使得在1/4波長板和光轉(zhuǎn)送體之間具有空隙的位置，反射型全息光學元件布置在1/4波長板的外部世界一側(cè)，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線以偏振狀態(tài)在光轉(zhuǎn)送體上入射，以便偏振光束分光器反射該光線，該光線在偏振光束分光器上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，光線被偏振光束分光器反射并穿過1/4波長板，然后光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線再次穿過1/4波長板，然后光線穿過偏振光束分光器，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
16.一種圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，由來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像被疊加在來自外部世界的光線上而形成雙重圖像，其中，該圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的偏振光束分光器，以及在與圖像形成元件相對的該偏振光束分光器一側(cè)的該光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的1/4波長板，反射型全息光學元件布置在與偏振光束分光器相對的1/4波長板一側(cè)，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線以偏振狀態(tài)在光轉(zhuǎn)送體上入射，以便該光線穿過偏振光束分光器，該光線在偏振光束分光器上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，光線穿過偏振光束分光器并且穿過1/4波長板，然后光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線再次穿過1/4波長板，然后光線被偏振光束分光器反射，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
17.一種圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，由來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像被疊加在來自外部世界的光線上而形成雙重圖像，其中，該圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的半透明反射鏡，反射型全息光學元件布置在面對外部世界的光轉(zhuǎn)送體的表面上，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線在光轉(zhuǎn)送體上入射，然后在半透明反射鏡上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，該光線被半透明反射鏡反射，光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線穿過半透明反射鏡，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
18.一種圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，由來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像被疊加在來自外部世界的光線上而形成雙重圖像，其中，該圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的半透明反射鏡，反射型全息光學元件布置在使得在該全息光學元件和光轉(zhuǎn)送體之間有空隙的位置，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線在光轉(zhuǎn)送體上入射，然后在半透明反射鏡上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，該光線被半透明反射鏡反射，光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線穿過半透明反射鏡，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
19.一種圖像顯示裝置，其具有圖像組合器，在所述圖像組合器中，由來自圖像形成元件的光線照明反射型全息光學元件形成的圖像被疊加在來自外部世界的光線上而形成雙重圖像，其中，該圖像顯示裝置具有在光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部布置的半透明反射鏡，反射型全息光學元件布置在與圖像形成元件相對的半透明反射鏡一側(cè)的光轉(zhuǎn)送體內(nèi)部，并且以這樣的方式構(gòu)造來自圖像形成元件的光線在光轉(zhuǎn)送體上入射，然后在半透明反射鏡上入射，同時被光轉(zhuǎn)送體的兩個表面全反射，該光線穿過半透明反射鏡，光線以θ1(°)的入射角在反射型全息光學元件上入射，并以θ2(°)的反射角被衍射/反射，光線被半透明反射鏡反射，并且和已穿過光轉(zhuǎn)送體的來自外部世界的光線一起到達用戶的眼睛，而且在入射角θ1和反射角θ2之間存在|θ1-θ2|＜3的關(guān)系。
全文摘要
來自圖像形成元件2的光線被PBS 8反射，并且在λ/4板7上入射，以便該光線被轉(zhuǎn)換成圓形偏振光。隨后，光線經(jīng)受由反射型HOE 6造成的反射/衍射效應(yīng)和圖像聚焦效應(yīng)。然后，該光線再次穿過λ/4板7，并且通過PBS8轉(zhuǎn)送。結(jié)果，光線在和來自外部世界的光線合成之后進入用戶的眼睛。設(shè)計系統(tǒng)以便在從圖像形成裝置的顯示部分的中心發(fā)出的主光線在反射型全息光學元件上入射的入射角θ1(°)和反射型全息光學元件衍射/反射該光線時的反射/衍射角θ2(°)之間建立－5＜θ1＜5以及|θ1－θ2|＜3的關(guān)系。這使得可以在用戶眼睛的瞳孔中心偏離圖像組合器的出射光瞳的中心的情況下達到顯示圖像的圖像質(zhì)量的改善。
文檔編號G02B5/32GK1781052SQ200480011519
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者大內(nèi)由美子, 堀健治 申請人:株式會社尼康