專利名稱：圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)和圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)和安裝到光學(xué)裝置的圖像顯示單元，所述光學(xué)裝置諸如眼鏡顯示器、頭盔顯示器、照相機(jī)、便攜式電話、雙目鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡之類，用于從觀察眼向前形成液晶顯示器等的顯示屏的虛像。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，一種具有大出射光瞳的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)已被提議(專利參考文獻(xiàn)1等)。
光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)由多個(gè)半反射鏡構(gòu)成，其與透射板(transmissiveplate)內(nèi)的透射光路串聯(lián)地布置，并且其各自的反射面向基板表面傾斜45°。
從液晶顯示器等的顯示屏發(fā)射的來(lái)自顯示器的光通量被轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馔浚⑶彝ㄟ^(guò)45°的入射角在光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)的半反射鏡上入射。
當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量在第一個(gè)半反射鏡上入射時(shí)，它的部分被半反射鏡反射，而它的其他部分則通過(guò)那里透射。通過(guò)半反射鏡透射的來(lái)自顯示器的光通量的部分被下一個(gè)半反射鏡反射，并且它的其他部分通過(guò)那里透射。這在各個(gè)半反射鏡處重復(fù)，并且各個(gè)半反射鏡反射的來(lái)自顯示器的光通量被發(fā)射到基板的外部。
來(lái)自顯示器的各個(gè)光通量穿過(guò)其中的基板外的區(qū)域，包括從顯示屏的每個(gè)位置發(fā)射的來(lái)自顯示屏的各個(gè)光通量被疊加以在其上入射的比較寬的區(qū)域。當(dāng)觀察眼的瞳孔置于該區(qū)域內(nèi)時(shí)，觀察眼能夠聚焦顯示屏的圖像。亦即，該區(qū)域等效地起到出射光瞳的作用(在下文中被稱作“出射光瞳”)。
通過(guò)增加布置的半反射鏡的數(shù)目，能夠容易地?cái)U(kuò)大這樣的出射光瞳。大的出射光瞳能夠增加安置觀察眼瞳孔的自由度，以便觀察者能夠以放松的狀態(tài)觀察顯示屏。
專利參考文獻(xiàn)1日本未審專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2003-536102發(fā)明內(nèi)容然而，這種光學(xué)圖像系統(tǒng)引起了下述問(wèn)題機(jī)械加工基板困難或復(fù)雜。例如，為了形成基板內(nèi)的半反射鏡，有必要將基板切割成大量的片，在大量的切割面上形成半透明的表面，并且將切割面相互粘合。
考慮到解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目標(biāo)就是要提供光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)和圖像顯示單元，其具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的基板，但是能夠確保大的出射光瞳。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)包括透射板，用于在內(nèi)部重復(fù)地反射圖像顯示元件的每個(gè)視角場(chǎng)處的來(lái)自顯示器的光通量，由此在其中形成所述光通量的光路；以及光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件，其被提供以與用于所述內(nèi)部反射的所述基板的一個(gè)表面的預(yù)定區(qū)域緊密接觸，用于向所述基板的外部發(fā)射已到達(dá)所述預(yù)定區(qū)域的所述光通量中每一個(gè)的一部分，并且用于通過(guò)反射以預(yù)定方向偏轉(zhuǎn)每個(gè)光通量的所述部分。光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)從而形成圖像顯示元件的顯示屏的虛像。
優(yōu)選地，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件的偏轉(zhuǎn)特性提供有這樣的分布使在所述光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)的出射光瞳上入射的所述光通量的亮度均勻。
優(yōu)選地，它進(jìn)一步包括返回反射面，用于返回所述光通量的所述光路以返回所述光通量。光路形成在基板內(nèi)。偏轉(zhuǎn)光學(xué)部件以相同的方向偏轉(zhuǎn)穿過(guò)前向路徑的來(lái)自顯示器的光通量的一部分和穿過(guò)后向路徑的來(lái)自顯示器的光路的一部分。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述返回反射面由以下組成第一反射面，用于在第一角度范圍之內(nèi)返回穿過(guò)所述基板內(nèi)預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路；以及第二反射面，用于在從所述第一角度范圍偏離的第二角度范圍之內(nèi)返回穿過(guò)所述預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述第一反射面具有以非返回方向反射在所述第二角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)，并且所述第二反射面以所述非返回方向返回通過(guò)所述第一反射面反射的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述第一反射面具有透射在所述第二角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)，并且所述第二反射面返回通過(guò)所述第一反射面透射的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述第一反射面和所述第二反射面布置在所述基板內(nèi)相同位置處以相互交叉。所述第一反射面具有透射在所述第二角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)，并且所述第二反射面具有透射在所述第一角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件由以下組成第一光學(xué)表面，其被提供以與所述預(yù)定區(qū)域緊密接觸，用于向所述基板的外部透射已到達(dá)所述預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的所述光通量中每一個(gè)的一部分；以及多反射鏡，其提供在與所述基板相對(duì)的所述第一光學(xué)表面一側(cè)，并且由排列成行且向所述基板的法線傾斜的多個(gè)微反射面組成。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，光學(xué)多層或光學(xué)衍射表面用于所述微反射面。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件由光學(xué)衍射部件組成。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件提供有透射從外部向所述出射光瞳的方向傳播的光通量的至少一部分的特性。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件具有將所述偏轉(zhuǎn)的對(duì)象限制到具有與來(lái)自顯示器的所述光通量的波長(zhǎng)相同的波長(zhǎng)的光的特性。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括對(duì)將要布置在所述出射光瞳處的觀察眼進(jìn)行屈光度校正的功能。
進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)包括另一個(gè)基板，其連接到所述基板以在其間插入所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件。與所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件相對(duì)的另一個(gè)基板的表面具有曲面，并且進(jìn)行所述屈光度校正的至少一部分。
進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示單元包括所述光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)中的任何一個(gè)和圖像顯示元件。
本發(fā)明能夠提供光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)和圖像顯示單元，其具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的基板，但是能夠確保大的出射光瞳。


圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的眼鏡顯示器的外觀圖；圖2是顯示圖像引入單元2和光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的構(gòu)造的透視圖；
圖3是從觀察者觀看圖像引入單元2的外圍的水平面所截取的概要截面圖；圖4是顯示基板11中的來(lái)自顯示器的光通量L的行為的視圖；圖5(a)是顯示基板11中的來(lái)自顯示器的光通量L的行為的視圖，圖5(b)是顯示基板11中的來(lái)自顯示器的光通量L+的行為的視圖，圖5(c)是顯示基板11中的來(lái)自顯示器的光通量L-的行為的視圖；圖6顯示了從觀察者觀看的水平面所截取的對(duì)多反射鏡12a的外圍的概要放大截面圖。(a)顯示了多反射鏡12a關(guān)于在前向路徑上前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的操作，(b)顯示了多反射鏡12a關(guān)于在后向路徑上前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的操作；圖7(a)是顯示在出射光瞳E上入射的在前向路徑上前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L的視圖，圖7(b)是顯示在出射光瞳E上入射的在后向路徑上前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L的視圖；圖8是用于解釋眼鏡顯示器屈光度校正方法的視圖；圖9(a)是顯示其中基板11外側(cè)面11-1處的來(lái)自顯示器的光通量L的入射區(qū)域變得不連續(xù)的例子的視圖，圖9(b)是顯示其中物鏡22和液晶顯示器21的光軸被傾斜的例子的視圖；圖10(a)是顯示根據(jù)第二實(shí)施例的形成多反射鏡12a’的一部分的視圖，圖10(b)是顯示多反射鏡12a’的構(gòu)造的視圖；圖11是用于解釋根據(jù)第二實(shí)施例的眼鏡顯示器中的出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度的周期不均勻性的原因的視圖；圖12是用于解釋避免根據(jù)第二實(shí)施例的眼鏡顯示器中的出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的逐步亮度均勻性的方法的視圖；圖13是顯示根據(jù)第三實(shí)施例的形成多反射鏡12a”的一部分的視圖；圖14是顯示多反射鏡12a關(guān)于來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的操作的視圖；圖15(a)是用于解釋類似于根據(jù)第一實(shí)施例的整個(gè)多反射鏡12a起作用的光學(xué)衍射表面32a的視圖，(b)是用于解釋類似于根據(jù)第二實(shí)施例的整個(gè)多反射鏡12a’起作用的光學(xué)衍射表面32a’的視圖，(c)是用于解釋類似于根據(jù)第三實(shí)施例的多反射鏡12a”起作用的光學(xué)衍射表面32a”的視圖；圖16顯示了用于解釋屈光度校正的各種方法的視圖；圖17是顯示將光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1施加到便攜式電話的顯示器的例子的視圖；圖18是顯示用于將光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1施加到投影儀的例子的視圖；圖19顯示了解釋根據(jù)第一實(shí)施例的返回反射面11b的視圖；圖20顯示了這樣的視圖，其顯示了根據(jù)第一實(shí)施例的第一修改例子、第二修改例子、第三修改例子、第四修改例子和第五修改例子；圖21顯示了這樣的視圖，其顯示了根據(jù)第一實(shí)施例的第六修改例子；圖22顯示了例1的反射-透射表面13a關(guān)于垂直入射光的反射的波長(zhǎng)特性；圖23顯示了例1的反射-透射表面13a關(guān)于60°入射光的反射的波長(zhǎng)特性；圖24顯示了例2的第一反射-透射表面12a-1關(guān)于垂直入射光的反射的波長(zhǎng)特性；圖25顯示了例2的第一反射-透射表面12a-1關(guān)于60°入射光的反射的波長(zhǎng)特性；圖26顯示了例2的其他第一反射-透射表面12a-1關(guān)于垂直入射光的反射的波長(zhǎng)特性；圖27顯示了例2的其他第一反射-透射表面12a-1關(guān)于60°入射光的反射的波長(zhǎng)特性；圖28顯示了例3的第二反射-透射表面12a-2、12a-2’關(guān)于30°入射光(膜厚度10nm)的反射(透射)的波長(zhǎng)特性；圖29顯示了例3的第二反射-透射表面12a-2、12a-2’關(guān)于30°入射光(膜厚度20nm)的反射(透射)的波長(zhǎng)特性；
圖30顯示了液晶顯示器21的發(fā)射光譜分布；圖31顯示了第二反射-透射表面12a-2、12a-2’(3波段反射鏡)關(guān)于30°入射光的反射(透射)的波長(zhǎng)特性；圖32顯示了第二反射-透射表面12a-2、12a-2’(偏振射束分離器型反射鏡)關(guān)于30°入射光的反射(透射)的波長(zhǎng)特性；圖33是顯示例6的返回反射面11b”關(guān)于垂直入射光的反射的波長(zhǎng)特性以及關(guān)于p偏振的入射光的反射的波長(zhǎng)特性的視圖；圖34是顯示例6’的返回反射面11b”的構(gòu)造的視圖；圖35是顯示例6’的返回反射面11b”關(guān)于垂直入射光的反射的波長(zhǎng)特性以及關(guān)于p偏振的60°入射光的反射的波長(zhǎng)特性的視圖；圖36是顯示例7的返回反射面11b”的構(gòu)造的視圖；圖37是顯示例7的返回反射面11b”關(guān)于垂直入射光的反射的波長(zhǎng)特性以及關(guān)于p偏振的60°入射光的反射的波長(zhǎng)特性的視圖；圖38是用于解釋形成例8的全息表面的方法的視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的最佳方式(實(shí)施例)將解釋如下。
第一實(shí)施例本發(fā)明的第一實(shí)施例將參考圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8說(shuō)明如下。
該實(shí)施例說(shuō)明了眼鏡顯示器。
首先，將解釋眼鏡顯示器的構(gòu)造。
如圖1所示，眼鏡顯示器包括光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1、圖像引入單元2、電纜3等等。光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1和圖像引入單元2由類似于眼鏡框架的支撐部件4(包括眼鏡腿4a、眼鏡框4b、鼻梁架4c等等)支撐，并且佩戴到觀察者的頭部。
光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1具有類似于眼鏡鏡片的外形，并且由眼鏡框4b從其周圍支撐。
圖像引入單元2由眼鏡腿4a支撐。經(jīng)由電纜3從外部設(shè)備以圖像信號(hào)和電力供應(yīng)引入單元2。
在佩戴時(shí)，從觀察者的一個(gè)眼睛(假定為右眼，在下文中，被稱作觀察眼)向前布置光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1。在下文中，從觀察者和觀察眼的位置來(lái)看，將解釋佩戴中的眼鏡顯示器。
如圖2所示，圖像引入單元2內(nèi)布置有液晶顯示器21(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的圖像顯示器)，用于基于圖像信號(hào)顯示圖像，以及物鏡22，其具有在液晶顯示器21附近的焦點(diǎn)。
圖像引入單元2向觀察者一側(cè)的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的面的右端部發(fā)射從物鏡22發(fā)射的光通量(來(lái)自顯示器的光通量)L。
光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1由基板13、11和12組成，它們從觀察者一側(cè)按這種順序布置，并且相互緊密接觸。
基板13、11和12中的每一個(gè)都具有使來(lái)自外部(與觀察者相對(duì)一側(cè)的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的區(qū)域)的光通量的至少可見(jiàn)光成分指向觀察眼的透射率。
在所述基板之中，置于兩個(gè)基板13、12之間的基板11為平行的平板(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的透射板)，用于通過(guò)外側(cè)的表面11-1和觀察者一側(cè)的表面11-2重復(fù)地在內(nèi)部反射從圖像引入單元2引入的來(lái)自顯示器的光通量L。
布置在基板11外側(cè)的基板12主要執(zhí)行一部分的以觀察者的方向偏轉(zhuǎn)基板11在內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L和一部分的觀察眼的屈光度校正?；?2是在觀察者一側(cè)具有平坦表面12-2的透鏡。
布置在基板11的觀察者一側(cè)的基板13執(zhí)行一部分的對(duì)觀察眼的屈光度校正。基板13是在外側(cè)具有平坦表面13-1的透鏡。
進(jìn)一步，來(lái)自顯示器的光通量L在其上入射的基板11內(nèi)的區(qū)域首先形成有反射面11a，用于將來(lái)自顯示器的光通量L的角度偏轉(zhuǎn)到內(nèi)部反射可能的角度。
進(jìn)一步，基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2提供有多反射鏡(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的光學(xué)偏振部分)12a(其細(xì)節(jié)將在稍后說(shuō)明)。
進(jìn)一步，基板11內(nèi)最遠(yuǎn)離開(kāi)圖像引入單元2的區(qū)域提供有返回反射面11b，其具有與傳播來(lái)自顯示器的光通量L的方向基本上相同的方向上的法線。
進(jìn)一步，基板13外側(cè)的表面13-1提供有反射-透射表面13a，其等效地起到空氣間隙的作用。
反射-透射表面13a關(guān)于通過(guò)比較大的入射角入射的光顯示高反射性能，而關(guān)于通過(guò)小的入射角(基本上垂直地)入射的光則提供有高透射性能。當(dāng)形成這樣的反射-透射表面13a時(shí)，光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的強(qiáng)度能夠通過(guò)粘接基板13和基板11而促進(jìn)，同時(shí)維持通過(guò)基板11的內(nèi)部反射的功能。
下一步，基于來(lái)自顯示器的光通量L的行為，來(lái)解釋光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的各個(gè)表面的布置和構(gòu)造。
如圖3所示，從圖像引入單元2內(nèi)的液晶顯示器21的顯示屏發(fā)射的來(lái)自顯示器的光通量(這里將通過(guò)表示中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L來(lái)給出解釋)，在物鏡22處被轉(zhuǎn)換成平行光通量L。
來(lái)自顯示器的光通量L穿過(guò)基板13并且在基板11上入射。進(jìn)一步，來(lái)自顯示器的光通量L所穿過(guò)的基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的區(qū)域是平坦面，以便不向來(lái)自顯示器的光通量L提供任何光功率(optical power)。
如圖4所示，來(lái)自顯示器的光通量L通過(guò)預(yù)定的入射角θ0在基板11內(nèi)的反射面11a上入射。反射面11a反射的來(lái)自顯示器的光通量L通過(guò)預(yù)定的入射角θi在基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2上入射。
入射角θi是大于基板11內(nèi)部反射臨界角θc的角。進(jìn)一步，反射-透射表面13a(參考圖3)與基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2相接觸，并且等效于空氣間隙工作。
通過(guò)滿足總的反射條件，來(lái)自顯示器的光通量L由基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2和基板11外側(cè)的表面11-1重復(fù)交替地在內(nèi)部反射，并且在觀察者的左方向上傳播遠(yuǎn)離圖像引入單元2。
通過(guò)使用來(lái)自顯示器的光通量L在基板11上入射的直徑D0、基板11的厚度以及來(lái)自顯示器的光通量L在反射面11a上的入射角θ0，用等式(1)表示基板11在內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L的左右方向上的寬度Di。
Di＝D0+d/tan(90°-2θ0)……(1)通過(guò)假定來(lái)自顯示器的光通量L在反射面11a上的入射角為θ0＝30°，并且基板11的厚度為d＝D0tanθ0，將給出解釋如下。在這種情況下，內(nèi)部反射中的入射角變?yōu)棣萯＝60°。進(jìn)一步，通過(guò)等式(1)，內(nèi)部反射中的來(lái)自顯示器的光通量L的寬度Di變?yōu)閬?lái)自顯示器的光通量L在基板11上入射的直徑D0的兩倍大。進(jìn)一步，此時(shí)，所有的來(lái)自顯示器的光通量L在基板11外側(cè)的表面11-1處的各個(gè)入射區(qū)域和來(lái)自顯示器的光通量L在基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2處的各個(gè)入射區(qū)域被連續(xù)地排列而其間沒(méi)有間隙。
在上述解釋中，僅給出了液晶顯示器21的顯示屏的中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L的解釋。然而，如圖5(a)、(b)和(c)所示，實(shí)際上，除了中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L之外，外圍視角場(chǎng)的光通量L+、L-等通過(guò)彼此不同的入射角θi在基板11內(nèi)傳播。
圖5(a)顯示了中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L，圖5(b)、(c)分別顯示了外圍視角場(chǎng)的光通量L+、L-。
在圖5(a)中用符號(hào)A指示的，是中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L在基板11的外側(cè)的表面11-1和觀察者一側(cè)的表面11-2處在其上入射的每個(gè)區(qū)域，在圖5(b)中用符號(hào)B指示的，是外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L+在基板11的外側(cè)的表面11-1和觀察者一側(cè)的表面11-2處在其上入射的每個(gè)區(qū)域，在圖5(c)中用符號(hào)C指示的，是外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L-在基板11的外側(cè)的表面11-1和觀察者一側(cè)的表面11-2處在其上入射的每個(gè)區(qū)域。
在基板11的外側(cè)的表面11-1處，各個(gè)視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L、L+、L-分別在區(qū)域B*的總區(qū)域上入射。
形成圖3的多反射鏡12a的區(qū)域被設(shè)置以覆蓋區(qū)域B*。
返回參考圖3，來(lái)解釋各個(gè)視角場(chǎng)的光通量L、L+、L-的行為。在下文中，各個(gè)視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量將集體用L指示。
各個(gè)視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L被偏轉(zhuǎn)到觀察者一側(cè)，同時(shí)每次在多反射鏡12a上入射時(shí)通過(guò)各個(gè)預(yù)定的比率維持視角場(chǎng)之中的角度關(guān)系。
偏轉(zhuǎn)的各個(gè)視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L，通過(guò)小于基板11內(nèi)部反射臨界角θc的角度，在基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2上入射，并且透射通過(guò)基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2。在這之后，各個(gè)視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L透射通過(guò)反射-透射表面13a，以經(jīng)由基板13在觀察眼附近的區(qū)域E上入射。
亦即，在區(qū)域B*(參考圖5)上疊加和入射的各個(gè)視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L，在區(qū)域E上疊加并入射，同時(shí)維持視角場(chǎng)之中的角度關(guān)系。
區(qū)域E構(gòu)成光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的出射光瞳。將觀察眼的瞳孔布置在出射光瞳E的任何位置處，使得觀察眼可以觀察液晶顯示器21的顯示屏的虛像。
根據(jù)實(shí)施例的眼鏡顯示器，區(qū)域B*(參考圖5)和形成多反射鏡12a的區(qū)域被設(shè)置得充分大于觀察眼瞳孔的尺寸，從而確保大的出射光瞳E。
形成在基板11內(nèi)的返回反射面11b返回反射通過(guò)基板11傳播的來(lái)自顯示器的光通量L，以相反地前進(jìn)通過(guò)入射處的光路。因此，來(lái)自顯示器的光通量在基板11內(nèi)被往復(fù)。
同樣，每次在多反射鏡12a上入射時(shí)，與前進(jìn)通過(guò)前向路徑的來(lái)自顯示器的光通量L類似，前進(jìn)通過(guò)后向路徑中的來(lái)自顯示器的光通量L被偏轉(zhuǎn)。
在這之后，多反射鏡12a偏轉(zhuǎn)的來(lái)自顯示器的光通量L透射通過(guò)反射-透射表面13a，以分別經(jīng)由基板13在出射光瞳E上入射。
下一步，將給出制造基板11、基板12和基板13的各自方法的例子的簡(jiǎn)單解釋。
根據(jù)制造基板11的方法，作為基板11的原型制備包括光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料或類似物的基板。
該基板在其兩個(gè)部分處被歪斜地切割，并且切割所產(chǎn)生的兩對(duì)切割面被光學(xué)地拋光。然后，各個(gè)成對(duì)的切割面中的一個(gè)用能夠構(gòu)成反射面的鋁、銀、介電材料的多層膜形成，在這之后，粘合各個(gè)切割面。粘合面中之一是反射面11a，而其另一個(gè)則構(gòu)成返回反射面11b。
考慮到切割面形成膜的制造步驟的數(shù)目或其成本進(jìn)行選擇。進(jìn)一步，代替將基板切割成兩個(gè)部件，可以制備包括分離部件的兩個(gè)部件。考慮到是切割基板還是制備分離部件的制造步驟的數(shù)目或成本進(jìn)行選擇。
例如，可以制備其兩端都被歪斜地切割并拋光的光學(xué)玻璃，可以在其兩端形成能夠作為反射面的膜，并且通過(guò)補(bǔ)充塑料可以使其外形形成為板狀形狀?；蛘?，可以暴露兩端以停留在歪斜狀態(tài)下而不形成板狀形狀的光學(xué)玻璃(這并不妨礙作為光學(xué)系統(tǒng)的功能)。
根據(jù)制造基板12的方法，在一個(gè)面上具有平坦表面并且在另一個(gè)面上具有曲面的透射板(透鏡)被制備用于基板12的原型。曲面是基板12的外側(cè)的表面12-1，而平面則是基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2。在基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2上形成多反射鏡12a。稍后將說(shuō)明形成多反射鏡12a的方法。
根據(jù)制造基板13的方法，在一個(gè)面上具有平坦面并且在另一個(gè)面上具有彎曲表面的透射板(透鏡)被制備用于基板13的原型，并且在平坦表面上形成等效于空氣間隙工作的光學(xué)多層。這個(gè)面就是反射-透射表面13a。
進(jìn)一步，在下文中，假定作為基板11的材料，使用普通光學(xué)玻璃BK7(折射率ng＝1.56)。
通常，關(guān)于基板11和反射面材料之間折射率ng的差，用等式(2)表示臨界角θc。
θc＝arcsin(1/ng)……(2)因此，當(dāng)使用該材料時(shí)，基板11的臨界角θc變?yōu)?9.9°。
進(jìn)一步，如上所述，中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L的入射角為θi＝60°。
因此，基板11能夠傳播通過(guò)θi＝40°到80°的入射角在其上入射的來(lái)自顯示器的各個(gè)光通量L，亦即觀察者的左右方向上的-20°到+20°的視角場(chǎng)的范圍之內(nèi)的各個(gè)光通量L-20到L+20。
進(jìn)一步，基板13的外側(cè)的表面13-1可以代替光學(xué)多層用光學(xué)衍射表面(全息表面等)形成。此時(shí)，其中光學(xué)衍射表面被衍射的條件可以被調(diào)整，以與上述光學(xué)多層的特性相同。進(jìn)一步，在這種情況下，所述條件不必滿足臨界角。
下一步，將解釋多反射鏡12a的構(gòu)造。
如圖6(a)、(b)所示，多反射鏡12a包括第一反射-透射表面12a-1，其形成在基板12的表面處；以及多個(gè)小的第二反射-透射表面12a-2、12a-2’，其在基板12內(nèi)其間沒(méi)有間隙地在觀察者的左右方向上交替地形成為排狀形狀。
第二反射-透射表面12a-2的姿勢(shì)是從觀察眼的左手側(cè)向右深度一側(cè)傾斜的姿勢(shì)，而第二反射-透射表面12a-2’的姿勢(shì)則是在與第二反射-透射表面12a-2相對(duì)的方向上傾斜相等角度的姿勢(shì)。
第二反射-透射表面12a-2和基板12的法線形成的角度，以及第二反射-透射表面12a-2’和基板12的法線形成的角度，分別為60°。
當(dāng)在水平面中(與圖6的紙面相平行)切割多反射鏡12a的單元形狀時(shí)，其截面形狀變?yōu)榫哂?0°底角的等腰三角形。
第一反射-透射表面12a-1提供有反射一部分的通過(guò)60°附近(40°到80°)的入射角在其上入射的光并且透射其余的性質(zhì)，并且提供有透射所有的通過(guò)0°附近(-20°到+20°)的入射角在其上入射的光的性質(zhì)。
第二反射-透射表面12a-2、12a-2’提供有反射一部分的通過(guò)30°附近(10°到50°)的入射角在其上入射的光并且透射其余的性質(zhì)。
當(dāng)基板12包括光學(xué)玻璃、光學(xué)樹(shù)脂、晶體或類似物時(shí)，由具有不同折射率的例如介電部件、金屬、有機(jī)材料和類似物組合的光學(xué)多層適用于第一反射-透射表面12a-1、第二反射-透射表面12a-2、12a-2’。
進(jìn)一步，在設(shè)計(jì)中，考慮到內(nèi)部反射的次數(shù)、將要在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量和來(lái)自顯示器的光通量L的亮度的平衡(透明清晰度)等等，優(yōu)化第一反射-透射表面12a-1、第二反射-透射表面12a-2、12a-2’的反射和透射的角度特性。
進(jìn)一步，盡管圖6(a)、(b)顯示了其中第一反射-透射表面12a-1和第二反射-透射表面12a-2、12a-2’相互鄰近的例子，但是可以在其間提供間隔。
下一步，將給出形成多反射鏡12a的方法的例子的簡(jiǎn)單解釋。
具有V形截面的多個(gè)小凹槽在基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2上其間沒(méi)有間隙地排列形成。
用于構(gòu)成第二反射-透射表面12a-2、12a-2’的光學(xué)多層分別形成在凹槽的一個(gè)內(nèi)壁和另一個(gè)內(nèi)壁上，凹槽用與原型相同的材料填充，并且在其表面上形成用于構(gòu)成第一反射-透射表面12a-1的光學(xué)多層。
在形成凹槽和形成光學(xué)多層中，樹(shù)脂模制和氣相沉積等的技術(shù)對(duì)其是適用的。
下一步，將給出多反射鏡12a關(guān)于在基板11內(nèi)傳播的來(lái)自顯示器的光通量L的操作的解釋。將給出關(guān)于中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量(θi＝60°)L、外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量(θi＝40°)L-20、外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量(θi＝80°)L+20的操作的代表性解釋。
在前進(jìn)通過(guò)前向路徑中，如圖6(a)所示，60°附近(40°到80°)的入射角處的通過(guò)基板11在內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的全部，沒(méi)有在基板11和第一反射-透射表面12a-1的邊界面處被全反射，而是其部分透射穿過(guò)第一反射-透射表面12a-1，并且前進(jìn)到基板12內(nèi)。
前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20分別通過(guò)30°附近(10°到50°)的入射角在第二反射-透射表面12a-2上入射。在第二反射-透射表面12a-2上入射的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的部分，被第二反射-透射表面12a-2反射，并且通過(guò)0°附近(-20°到+20°)的入射角在第一反射-透射表面12a-1上入射，而且通過(guò)透射通過(guò)第一反射-透射表面12a-1在基板11上入射。此時(shí)的入射角小于臨界角θc，所以來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20透射通過(guò)基板11而沒(méi)有被內(nèi)部反射，并且經(jīng)由基板13發(fā)射到外部。
在前進(jìn)通過(guò)后向路徑中，如圖6(b)所示，60°附近(40°到80°)的入射角處的通過(guò)基板11在內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的全部，沒(méi)有通過(guò)用于內(nèi)部反射的基板11和第一反射-透射表面12a-1的邊界面被全反射，而是其部分透射穿過(guò)第一反射-透射表面12a-1，以前進(jìn)到基板12內(nèi)。
前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20分別通過(guò)30°附近(10°到50°)的入射角在第二反射-透射表面12a-2’上入射。在第二反射-透射表面12a-2’上入射的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的部分，被第二反射-透射表面12a-2’反射，并且通過(guò)0°附近(-20°到+20°)的入射角在第一反射-透射表面12a-1上入射，而且通過(guò)透射通過(guò)第一反射-透射表面12a-1在基板11上入射。此時(shí)的入射角小于臨界角θc，所以來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20透射通過(guò)基板11而沒(méi)有被內(nèi)部反射，并且經(jīng)由基板13發(fā)射到外部。
下一步，將給出通過(guò)以下事實(shí)的效果的解釋基板11提供有用于往復(fù)的返回反射面11b，并且多反射鏡12a提供有第二反射-透射表面12a-2、12a-2’兩者。
如圖7(a)所示，在前進(jìn)通過(guò)前向路徑中，在多反射鏡12a上重復(fù)入射的來(lái)自顯示器的光通量L，每次在多反射鏡12a上入射時(shí)，通過(guò)固定比率的亮度到達(dá)多反射鏡12a中的第二反射-透射表面12a-2(參考圖6(a))，并且以出射光瞳E的方向偏轉(zhuǎn)。
具體地，當(dāng)前進(jìn)通過(guò)前向路徑中的來(lái)自顯示器的光通量L在多反射鏡12a上入射的次數(shù)總數(shù)為4，并且多反射鏡12a關(guān)于來(lái)自顯示器的光通量L的偏轉(zhuǎn)效率(以出射光瞳E的方向偏轉(zhuǎn)的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度對(duì)在多反射鏡12a上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度的比率)為10％(此時(shí)，內(nèi)部反射的反射率能夠被認(rèn)為是90％)，而且多反射鏡12a中的來(lái)自顯示器的光通量L的入射區(qū)域從觀察者的右側(cè)連續(xù)地用符號(hào)EA、EB、EC、ED指示時(shí)，前進(jìn)通過(guò)前向路徑中的來(lái)自各個(gè)區(qū)域的在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的相對(duì)亮度變?yōu)槿缦?進(jìn)一步，通過(guò)吸收造成的光量損失忽略不計(jì))。
EA0.1，EB0.09，EC0.081，ED0.0729亦即，越接近返回反射面11b，在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度越弱。因此，在前進(jìn)通過(guò)前向路徑中的在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L中，引起了逐步亮度不均勻性。
另一方面，如圖7(b)所示，在前進(jìn)通過(guò)后向路徑中，在多反射鏡12a上重復(fù)入射的來(lái)自顯示器的光通量L，每次在多反射鏡12a上入射時(shí)，通過(guò)固定比率的亮度到達(dá)多反射鏡12a中的第二反射-透射表面12a-2’(參考圖6(b))，并且以出射光瞳E的方向偏轉(zhuǎn)。
具體地，當(dāng)返回反射面11b的反射率被設(shè)置為100％時(shí)，前進(jìn)通過(guò)后向路徑中的來(lái)自各個(gè)區(qū)域的在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度相對(duì)值變?yōu)槿缦?進(jìn)一步，通過(guò)吸收造成的光量損失忽略不計(jì))。
EA0.047，EB0.0531，EC0.059，ED0.0651亦即，越遠(yuǎn)離返回反射面11b，在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度越弱。因此，在前進(jìn)通過(guò)后向路徑中的在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L中，引起了逐步亮度不均勻性。
然而，前進(jìn)通過(guò)前向路徑中的來(lái)自顯示器的光通量L和前進(jìn)通過(guò)后向路徑中的來(lái)自顯示器的光通量L同時(shí)在出射光瞳E上入射，因此，來(lái)自各個(gè)區(qū)域的在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的相對(duì)亮度，變?yōu)榍斑M(jìn)通過(guò)前向路徑中的和前進(jìn)通過(guò)后向路徑中的總和如下。
EA0.147，EB0.1431，EC0.140，ED0.138因此，幾乎不引起逐步亮度不均勻性。
進(jìn)一步，由于多反射鏡12a是這樣的具有彼此相同特性的第二反射-透射表面12a-2和第二反射-透射表面12a-2’其間沒(méi)有間隙地布置，并且對(duì)從外部指向出射光瞳E的來(lái)自外部的光通量顯示了均勻的特性，所以沒(méi)有造成在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量亮度的不均勻性。
下一步，將解釋屈光度校正。
如圖8所示，基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2和基板12的外側(cè)的表面12-1是彎曲的。進(jìn)一步，能夠改變物鏡22在光軸方向上的位置。
通過(guò)優(yōu)化物鏡22在光軸方向上的位置(圖8*1)和基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面形狀(圖8*3)的組合，能夠進(jìn)行觀察眼關(guān)于液晶顯示器21顯示屏虛像的屈光度校正(近屈光度的校正)。另一方面，通過(guò)優(yōu)化基板12的外側(cè)的表面12-1的曲面形狀(圖8*2)和基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面形狀(圖8*3)的組合，能夠進(jìn)行觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正(遠(yuǎn)屈光度的校正)。
或者，根本不用改變物鏡22的位置，觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正(遠(yuǎn)屈光度的校正)，可以主要通過(guò)優(yōu)化基板12的外側(cè)的表面12-1的曲面形狀(圖8*2)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而觀察眼關(guān)于顯示屏虛像的屈光度校正(有限距離屈光度的校正)，則可以主要通過(guò)優(yōu)化基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面形狀(圖8*3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
用這種方法，根據(jù)眼鏡顯示器，多反射鏡12a僅形成在基板12的一個(gè)表面(觀察者一側(cè)的表面12-2)上，因此，另一個(gè)表面(外側(cè)的表面12-1)能夠用于屈光度校正。
進(jìn)一步，根據(jù)眼鏡顯示器，對(duì)觀察眼關(guān)于顯示屏虛像的屈光度校正，能夠獨(dú)立于觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正進(jìn)行。因此，可以不僅根據(jù)觀察眼的特性(近視、遠(yuǎn)視、老花、散光、弱視的程度)，而且還根據(jù)眼鏡顯示器的周圍使用條件，來(lái)進(jìn)行精細(xì)的屈光度校正。
進(jìn)一步，基板12的外側(cè)的表面12-1和基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面能夠具有各種形狀，諸如球面、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面、具有在觀察者的上下方向和左右方向上不同的曲率半徑的曲面、因位置而不同的曲率半徑的曲面等等。
進(jìn)一步，代替物鏡22的位置，可以優(yōu)化液晶顯示器21的位置或物鏡22的焦距。
進(jìn)一步，當(dāng)充分的屈光度校正能夠通過(guò)基板12進(jìn)行時(shí)，通過(guò)向基板11如此引入來(lái)自顯示器的光通量L，以致于來(lái)自顯示器的光通量L滿足被基板11的內(nèi)表面全反射的條件，能夠省去基板13。
下一步，將解釋眼鏡顯示器的效果。
通過(guò)結(jié)合提供有多反射鏡12a的基板12和用于內(nèi)部反射的基板11，本實(shí)施例的眼鏡顯示器確保了大的出射光瞳E。作為與基板12結(jié)合的結(jié)果，基板11的內(nèi)部構(gòu)造能夠極其簡(jiǎn)單。
進(jìn)一步，多反射鏡12a由非常小的重復(fù)單元組成，并且它的形狀非常小，因此，對(duì)于在基板12上形成多反射鏡12a，沒(méi)有必要將基板12切割成大量的片(如上所述，諸如樹(shù)脂模制、氣相沉積等之類的制造大規(guī)模生產(chǎn)性能的制造技術(shù)是適用的)。
因此，眼鏡顯示器能夠確保大的出射光瞳E，盡管它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
進(jìn)一步，根據(jù)眼鏡顯示器，為了從光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1向觀察者的觀察眼引入來(lái)自顯示器的光通量L，來(lái)自顯示器的光通量L通過(guò)多反射鏡12a在瞳孔方向上的反射而被偏轉(zhuǎn)，所以液晶顯示器21的顯示屏的圖像聚焦在觀察者觀察眼的視網(wǎng)膜上而沒(méi)有色斑。
進(jìn)一步，眼鏡顯示器使用了具有用于往復(fù)的返回反射面11b和第二反射-透射表面12a-2、12a-2’兩者的多反射鏡12a，所以幾乎不造成在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度不均勻性。
進(jìn)一步，由于多反射鏡12a顯示了對(duì)來(lái)自外部的光通量均勻的特性，所以也沒(méi)有造成在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量的亮度不均勻性。
進(jìn)一步，眼鏡顯示器的在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量的亮度分布，與布置多反射鏡12a的單元形狀的密度根本無(wú)關(guān)。因此，即使當(dāng)多反射鏡12a的形狀通過(guò)將單元形狀放大到某種程度而被簡(jiǎn)化時(shí)，出射光瞳E上的來(lái)自外部的光通量的亮度仍維持均勻。
進(jìn)一步，根據(jù)眼鏡顯示器，多反射鏡12a形成在基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2上，并且基板12的外側(cè)的表面12-1的曲面形狀(參考圖8*2)能夠自由地設(shè)置。這能夠促進(jìn)屈光度校正的自由度。
例如，觀察眼關(guān)于液晶顯示器21顯示屏虛像的屈光度校正，以及觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正，同樣能夠相互獨(dú)立地進(jìn)行。
(第一實(shí)施例的修改例子)進(jìn)一步，在液晶顯示器21的光源提供有具有LED等的窄頻帶的頻譜特性的情況下，或者在光源僅包括特定偏振成分的情況下，通過(guò)在設(shè)計(jì)中考慮到所述情況，可以優(yōu)化第一反射-透射表面12a-1、第二反射-透射表面12a-2、12a-2’關(guān)于波長(zhǎng)或偏振方向的反射特性。
進(jìn)一步，根據(jù)眼鏡顯示器，來(lái)自顯示器的光通量L在反射面11a上的入射角被設(shè)置為θ0＝30°，基板11的厚度被設(shè)置為d＝L0tanθ0。此時(shí)，內(nèi)部反射中的來(lái)自顯示器的光通量L的寬度Li，變?yōu)閬?lái)自顯示器的光通量L在基板11上入射時(shí)直徑L0的兩倍大，來(lái)自顯示器的光通量L在基板11的外側(cè)的表面11-1處的各個(gè)入射區(qū)域，以及來(lái)自顯示器的光通量L在基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2上的各個(gè)入射區(qū)域，全部都其間沒(méi)有間隙地連續(xù)排列。然而，參數(shù)并不限于此，而是優(yōu)選地根據(jù)眼鏡顯示器的使用或規(guī)格適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。
例如，如圖9(a)所示，來(lái)自顯示器的光通量L在基板11的外側(cè)的表面11-1處的各個(gè)入射區(qū)域，以及來(lái)自顯示器的光通量L在基板11的觀察者一側(cè)的表面11-2處的各個(gè)入射區(qū)域，可以被做得不連續(xù)。
進(jìn)一步，如圖9(b)所示，物鏡22和液晶顯示器21的光軸可以向基板11的法線傾斜。在那種情況下，關(guān)于反射面11a的有效入射角能夠增加而不用擴(kuò)大來(lái)自顯示器的光通量L的直徑，并且內(nèi)部反射中的來(lái)自顯示器的光通量L的寬度Li能夠充分地增加，而不用增加基板11的厚度。
進(jìn)一步，根據(jù)這個(gè)眼鏡顯示器，觀察眼被設(shè)置為觀察者的右眼，并且通過(guò)圖像引入單元2引入來(lái)自顯示器的光通量L的部分被設(shè)置到觀察眼的右側(cè)。然而，當(dāng)觀察眼被設(shè)置為觀察者的左眼并且引入光通量的部分被設(shè)置到觀察眼的左側(cè)時(shí)，可以在左右方向上顛倒各個(gè)反射面之間的布置關(guān)系。
第二實(shí)施例參考圖10、圖11來(lái)解釋本發(fā)明的第二實(shí)施例如下。
本實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。這里，將只解釋與第一實(shí)施例的眼鏡顯示器的不同點(diǎn)。
不同點(diǎn)在于，返回反射面11b被省略，并且代替多反射鏡12a提供了多反射鏡12a’。
如圖10(a)所示，類似于根據(jù)第一實(shí)施例的多反射鏡12a，在基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2上布置形成多反射鏡12a’的部分。
多反射鏡12a’對(duì)應(yīng)于多反射鏡12a，其中，第二反射-透射表面12a-2’被省略，并且通過(guò)如圖10(b)所示擴(kuò)大的那樣的量密集地布置第二反射-透射表面12a-2。
由于返回反射面11b被省略，所以來(lái)自顯示器的光通量L不再在基板11內(nèi)往復(fù)。因此，來(lái)自顯示器的光通量L與根據(jù)第一實(shí)施例的前進(jìn)通過(guò)前向路徑中類似地行動(dòng)。
進(jìn)一步，多反射鏡12a’與第一實(shí)施例中的前進(jìn)通過(guò)前向路徑的光通量(參考圖6(a))類似地作用于來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20。
這樣的眼鏡顯示器，其基本上類似于根據(jù)第一實(shí)施例的眼鏡顯示器，能夠確保大的出射光瞳E，盡管它的構(gòu)造簡(jiǎn)單。
(第二實(shí)施例的修改例子)然而，根據(jù)眼鏡顯示器，在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L中保持有以下兩種亮度不均勻性。
首先，來(lái)自顯示器的光通量L沒(méi)有在基板11內(nèi)往復(fù)，造成在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L中的逐步亮度不均勻性。
第二，如圖11的放大圖所示，在第二反射-透射表面12a-2上，具有基本上其一半尺寸并且處于遠(yuǎn)離第一反射-透射表面12a-1一側(cè)的區(qū)域B，被從觀察者來(lái)看在右側(cè)的與其相鄰的第二反射-透射表面12a-2遮蔽。由于被遮蔽，到達(dá)區(qū)域B的來(lái)自顯示器的光通量L的光量小于到達(dá)區(qū)域A的，因此，從區(qū)域B指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L的光量小于從區(qū)域A指向出射光瞳E的。這造成了亮度的周期不均勻性。
作為避免亮度周期不均勻性的方法，指出以高密度布置多反射鏡12a’的單元形狀。當(dāng)能夠在與觀察眼的瞳孔直徑(大約6mm)相同的尺寸之內(nèi)通過(guò)大約幾個(gè)周期到10個(gè)周期布置單元形狀時(shí)，盡管引起了亮度的周期不均勻性，但是對(duì)觀察眼給出的奇怪感覺(jué)幾乎不存在。
作為進(jìn)一步穩(wěn)固地避免亮度周期不均勻性的方法，指出使接近第一反射-透射表面12a-1的第二反射-透射表面12a-2的區(qū)域A的反射率RA對(duì)位于遠(yuǎn)離第一反射-透射表面12a-1一側(cè)的區(qū)域B的反射率RB的比率為1∶2。在這種情況下，透射通過(guò)區(qū)域A的來(lái)自顯示器的光通量L在區(qū)域B上入射，并且因此亮度的周期不均勻性基本上無(wú)效。
進(jìn)一步，優(yōu)選的是該比率不完全設(shè)置為1∶2，而是根據(jù)反射光的光路之間的差等等如此調(diào)整，以致于出射光瞳E上的由區(qū)域A反射的來(lái)自顯示器的光通量L和由區(qū)域B反射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度將會(huì)完全均勻。進(jìn)一步，當(dāng)與多反射鏡12a’的單元形狀的高密度布置相結(jié)合時(shí)，效果被進(jìn)一步增強(qiáng)。
為了避免逐步的亮度不均勻性，向多反射鏡12a’關(guān)于來(lái)自顯示器的光通量L的偏轉(zhuǎn)效率提供分布。
假定多反射鏡12a’的偏轉(zhuǎn)效率均勻地為25％，并且多反射鏡12a處的來(lái)自顯示器的光通量L的入射區(qū)域按照入射的順序用符號(hào)EA、EB、EC……指示，則來(lái)自各個(gè)區(qū)域的在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度如下。
EA25％，EB18.75％，EC14.0625％……亮度之間的差造成了逐步亮度不均勻性。
因此，當(dāng)向多反射鏡12a’的偏轉(zhuǎn)效率提供分布時(shí)，如圖12所示，各個(gè)入射區(qū)域的偏轉(zhuǎn)效率被設(shè)置如下。這里，來(lái)自顯示器的光通量L在多反射鏡12a中的與出射光瞳E相對(duì)的區(qū)域上的入射次數(shù)總數(shù)被設(shè)置為4。
EA25％，EB33.3％，EC50％，ED100％當(dāng)提供這樣的分布時(shí)，使在出射光瞳E上入射的來(lái)自顯示器的光通量L的亮度對(duì)于入射開(kāi)始時(shí)的來(lái)自顯示器的光通量L的25％的量的亮度均勻。進(jìn)一步，通過(guò)將最后入射區(qū)域的偏轉(zhuǎn)效率設(shè)置為100％，防止了引起雜散光。
進(jìn)一步，為了向多反射鏡12a’的偏轉(zhuǎn)效率提供分布，可以向第二反射-透射表面12a-2的反射率提供類似的分布，或者可以向第一反射-透射表面12a-1的透射率提供類似的分布。
然而，當(dāng)向多反射鏡12a’的偏轉(zhuǎn)效率提供分布時(shí)，存在下述可能性多反射鏡12a關(guān)于在觀察者來(lái)自外部的一側(cè)入射的來(lái)自外部的光通量的透射率變得不均勻，并且在那種情況下，有必要允許引起在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量處的亮度不均勻性。
第三實(shí)施例參考圖13、圖14來(lái)解釋本發(fā)明的第三實(shí)施例如下。
本實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。這里，將僅解釋與第二實(shí)施例的不同點(diǎn)。
不同點(diǎn)在于，代替多反射鏡12a’提供了多反射鏡12a”。
如圖13所示，在基板13的外側(cè)的表面13-1處布置形成多反射鏡12a”的部分。
據(jù)此，還在基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2處布置形成反射-透射表面13a(類似于空氣間隙起作用的光學(xué)多層)的部分。
下一步，將解釋多反射鏡12a”的構(gòu)造。
如圖14所示，類似于多反射鏡12a’，多反射鏡12a”也由第一反射-透射表面12a-1、第二反射-透射表面12a-2構(gòu)成。
然而，第二反射-透射表面12a-2和基板13法線之間的角度被設(shè)置為30°。
進(jìn)一步，第二反射-透射表面12a-2關(guān)于通過(guò)60°附近(40°到80°)的入射角在其上入射的光提供有反射-透射性能。
進(jìn)一步，在設(shè)計(jì)中，考慮到內(nèi)部反射的次數(shù)、在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量和來(lái)自顯示器的光通量的亮度的平衡(透明清晰度)等等，優(yōu)化第一反射-透射表面12a-1、第二反射-透射表面12a-2的反射和透射的角度特性。
下一步，將解釋多反射鏡12a”關(guān)于在基板11內(nèi)傳播的來(lái)自顯示器的光通量L的操作。這里，將代表性地給出對(duì)中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量(θi＝60°)L、外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量(θi＝40°)L-20、外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量(θi＝80°)L+20的操作的解釋。
如圖14所示，60°附近(40°到80°)的入射角處的通過(guò)基板11在內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的全部，沒(méi)有在基板11和第一反射-透射表面12a-1的邊界面處被全反射，而是其部分透射通過(guò)第一反射-透射表面12a-1，并且前進(jìn)到基板13內(nèi)。
前進(jìn)的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20分別通過(guò)60°附近(40°到80°)的入射角分別在第二反射-透射表面12a-2上入射。在第二反射-透射表面12a-2上入射的來(lái)自顯示器的光通量L、L-20、L+20的部分，被第二反射-透射表面12a-2反射，并且經(jīng)由基板13發(fā)射到外部。
亦即，所述眼鏡顯示器同樣實(shí)現(xiàn)了與根據(jù)第二實(shí)施例的眼鏡顯示器類似的效果。
(第三實(shí)施例的修改例子)進(jìn)一步，盡管根據(jù)本實(shí)施例，顯示了在根據(jù)第二實(shí)施例的眼鏡顯示器中改變形成多反射鏡的部分的例子，但是同樣在第一實(shí)施例的眼鏡顯示器中，能夠類似地改變形成多反射鏡的部分。
在那種情況下，多反射鏡12a的第二反射-透射表面12a-2和基板13的法線形成的角度，以及第二反射-透射表面12a-2’和基板13的法線形成的角度，分別被設(shè)置為30°。
其他各個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步，除了光學(xué)多層之外，第一反射-透射表面12a-1、第二反射-透射表面12a-2、12a-2’中的部分或全體能夠被施加以金屬膜或小的光學(xué)衍射表面(全息表面等)等。
進(jìn)一步，如圖15(a)所示，代替根據(jù)第一實(shí)施例的多反射鏡12a的全體，可以使用類似于整個(gè)多反射鏡12a起作用的光學(xué)衍射表面(全息表面等)32a。在圖15(a)中，在基板11內(nèi)內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L和由光學(xué)衍射表面32a偏轉(zhuǎn)并且指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L用箭頭標(biāo)志指示。進(jìn)一步，當(dāng)使用光學(xué)衍射表面32a時(shí)，指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L是光學(xué)衍射表面32a所產(chǎn)生的衍射光(其優(yōu)選作為應(yīng)用于具有全息表面的眼鏡顯示器的例子)。
進(jìn)一步，如圖15(b)所示，代替根據(jù)第二實(shí)施例的多反射鏡12a’，可以使用類似于多反射鏡12a’起作用的光學(xué)衍射表面(全息表面等)32a’。在圖15(b)中，在基板11內(nèi)內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L和由光學(xué)衍射表面32a’偏轉(zhuǎn)并且指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L用箭頭標(biāo)志指示。進(jìn)一步，當(dāng)使用光學(xué)衍射表面32a’時(shí)，指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L是光學(xué)衍射表面32a’所產(chǎn)生的衍射光。
進(jìn)一步，如圖15(c)所示，代替根據(jù)第三實(shí)施例的多反射鏡12a”，可以使用類似于多反射鏡12a’起作用的光學(xué)衍射表面(全息表面等)32a”。在圖15(c)中，在基板11內(nèi)內(nèi)部反射的來(lái)自顯示器的光通量L和由光學(xué)衍射表面32a”偏轉(zhuǎn)并且指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L用箭頭標(biāo)志指示。進(jìn)一步，當(dāng)使用光學(xué)衍射表面32a”時(shí)，指向出射光瞳E的來(lái)自顯示器的光通量L是光學(xué)衍射表面32a”所產(chǎn)生的衍射光。
進(jìn)一步，光學(xué)衍射表面是例如平面樹(shù)脂膜或光學(xué)玻璃板上形成的體積型(volume type)全息元件的表面或相位型(phase type)全息元件的表面。
進(jìn)一步，在設(shè)計(jì)光學(xué)衍射表面中，考慮到內(nèi)部反射的次數(shù)、在出射光瞳E上入射的來(lái)自外部的光通量和來(lái)自顯示器的光通量的亮度的平衡(透明清晰度)等等，優(yōu)化其衍射效率的角度特性。
進(jìn)一步，作為各個(gè)實(shí)施例的眼鏡顯示器的屈光度校正的方法，除了上述方法(參考圖8)之外，例如指出了圖16(a)、(b)、(c)等的任何之中顯示的方法。
圖16(a)中顯示的方法是當(dāng)在基板12的觀察者一側(cè)的表面12-2上形成多反射鏡12a時(shí)能夠應(yīng)用的方法?；宓钠瑪?shù)被限制到只有基板12和基板11兩片。此時(shí)，類似于空氣間隙起作用的反射-透射表面13a被省去。
根據(jù)所述方法，通過(guò)僅優(yōu)化物鏡22在光軸方向上的位置(圖16(a)*1)，進(jìn)行觀察眼關(guān)于顯示屏虛像的屈光度校正。通過(guò)僅優(yōu)化基板12的外側(cè)的表面12-1的曲面形狀(圖16(a)*2)，進(jìn)行觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正(代替物鏡22的位置，可以優(yōu)化液晶顯示器21的位置或物鏡22的焦距)。
圖16(b)中顯示的方法是當(dāng)在基板13的外側(cè)的表面13-1處形成多反射鏡12a”時(shí)能夠應(yīng)用的方法。
根據(jù)所述方法，通過(guò)優(yōu)化物鏡22在光軸方向上的位置(圖16(b)*1)和基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面形狀的組合，進(jìn)行觀察眼關(guān)于顯示屏虛像的屈光度校正。通過(guò)優(yōu)化基板12的外側(cè)的表面12-1的曲面形狀(圖16(b)*2)和基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面形狀(圖16(b)*3)的組合，進(jìn)行觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正(代替物鏡22的位置，可以優(yōu)化液晶顯示器21的位置或物鏡22的焦距)。
圖16(c)中顯示的方法是當(dāng)在基板13的外側(cè)的表面13-1處形成多反射鏡12a”時(shí)能夠應(yīng)用的方法?；宓钠瑪?shù)被限制到只有基板11和基板13兩片。此時(shí)，類似于空氣間隙起作用的反射-透射表面13a被省去。
根據(jù)所述方法，僅僅通過(guò)基板13的觀察者一側(cè)的表面13-2的曲面形狀(圖16(b)*3)進(jìn)行觀察眼關(guān)于顯示屏虛像的屈光度校正和觀察眼關(guān)于外部圖像的屈光度校正。
進(jìn)一步，盡管反射-透射表面13a用在大量的實(shí)施例中，但是代替反射-透射表面13a，可以在與其位置相同的位置處提供空氣間隙。然而，從增加光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1的強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選的是應(yīng)用反射-透射表面13a。
進(jìn)一步，因?yàn)楦鶕?jù)各個(gè)實(shí)施例的眼鏡顯示器包括兩片或三片基板，所以任何的基板可以被施加以預(yù)先著色的元件或通過(guò)紫外線變色的光致變色元件、通過(guò)電流傳導(dǎo)變色的電致變色元件或其透射率被改變的其他元件。
當(dāng)施加這樣的元件時(shí)，眼鏡顯示器能夠安裝有減弱在觀察眼上入射的來(lái)自外部的光通量的亮度、或者減弱或阻擋對(duì)肉眼有害的紫外線、紅外線、激光的影響的功能(太陽(yáng)鏡或激光保護(hù)鏡的功能)。
進(jìn)一步，能夠構(gòu)造眼鏡顯示器以提供光阻擋掩模(開(kāi)閉器)等的機(jī)構(gòu)，用于如此阻擋/開(kāi)放來(lái)自外部的光，以致于觀察者必要時(shí)能夠沉浸在顯示屏中。
進(jìn)一步，盡管各個(gè)實(shí)施例中的眼鏡顯示器被構(gòu)造以僅對(duì)一個(gè)眼睛(右眼)顯示顯示屏的虛像，但是眼鏡顯示器同樣能夠被構(gòu)造以對(duì)左右眼兩者顯示虛像。進(jìn)一步，當(dāng)在左右顯示屏上顯示立體圖像時(shí)，眼鏡顯示器能夠用作立體顯示器。
進(jìn)一步，盡管各個(gè)實(shí)施例中的眼鏡顯示器是透明型的，但是眼鏡顯示器可以是非透明型的。在這種情況下，光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件(多反射鏡、光學(xué)衍射表面等)關(guān)于來(lái)自外部的光通量的透射率可以被設(shè)置為0(在多反射鏡的情況下，第二反射-透射表面12a-2、第二反射-透射表面12a-2’的透射率可以被設(shè)置為0)。
進(jìn)一步，在各個(gè)實(shí)施例的眼鏡顯示器中，來(lái)自顯示器的光通量L的偏振方向可以被限制到s偏振光。為了限制到s偏振光，偏振的液晶顯示器21可以用于優(yōu)化其布置，或者相位板可以安裝在液晶顯示器21的前面，并且可以調(diào)整相位板。
當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量L被限制到s偏振光時(shí)，易于向眼鏡顯示器的各個(gè)光學(xué)表面提供上述特性。當(dāng)光學(xué)多層用于光學(xué)表面時(shí)，能夠使光學(xué)多層的膜構(gòu)造簡(jiǎn)單。
進(jìn)一步，盡管各個(gè)實(shí)施例涉及眼鏡顯示器，但是眼鏡顯示器的光學(xué)部分(光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，圖1等的符號(hào)1)同樣適用于除了眼鏡顯示器之外的光學(xué)設(shè)備。例如，光學(xué)圖像系統(tǒng)1同樣可以應(yīng)用于如圖17所示的便攜式電話等的便攜式設(shè)備的顯示器。進(jìn)一步，如圖18所示，光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)1可以應(yīng)用于投影儀，用于在觀察者前面通過(guò)大的屏幕顯示虛像。
第一實(shí)施例的修改例子參考圖19、圖20、圖21將給出第一實(shí)施例的修改例子(第一修改例子、第二修改例子、第三修改例子、第四修改例子、第五修改例子、第六修改例子)的解釋如下。
這里，將僅解釋與第一實(shí)施例的不同點(diǎn)。
不同點(diǎn)在于返回反射面11b。
首先，將參考圖19解釋第一實(shí)施例的返回反射面11b的操作。
圖19(a)、(b)是用于解釋第一實(shí)施例的返回反射面11b的操作的視圖。在圖19(a)、(b)中用符號(hào)L指示的，是來(lái)自顯示器的光通量。進(jìn)一步，盡管圖19中顯示的返回反射面11b的姿勢(shì)不同于圖3中顯示的返回反射面11b的姿勢(shì)，但是下面解釋的操作保持相同。
由于第一實(shí)施例的返回反射面11b的法線的方向與傳播在基板11內(nèi)內(nèi)部反射的中心視角場(chǎng)處的來(lái)自顯示器的光通量L的一部分的方向一致，所以返回來(lái)自顯示器的光通量L的一部分的光路。進(jìn)一步，當(dāng)外圍視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量的傳播方向與其近似時(shí)，甚至能夠類似地返回其光路。在下文中，將主要解釋中心視角場(chǎng)上的來(lái)自顯示器的光通量L。
與此同時(shí)，來(lái)自顯示器的光通量L提供有一定的固定鮮明度(boldness)，并且基板11被形成以薄到某種程度。因此，返回反射面11b不能返回來(lái)自顯示器的光通量L的全部的光路。
在圖19中，用L1(細(xì)長(zhǎng)實(shí)線)、L2(細(xì)長(zhǎng)虛線)指示的軸上的兩個(gè)通量表示構(gòu)成中心視角場(chǎng)的來(lái)自顯示器的光通量L的各個(gè)光通量。在圖19顯示的例子中，盡管返回反射面11b能夠返回光線L1表示的光通量的光路，但是返回反射面11b不能返回光線L2表示的光通量的光路。
這是因?yàn)?，光線L1緊接著在表面11-2處內(nèi)部反射之后在返回反射面11b上入射，并且入射是垂直的，而光線L2則緊接著在表面11-1處內(nèi)部反射之后在返回反射面11b上入射，并且入射是不垂直的。
此時(shí)，如圖19(b)所示，光線L2通過(guò)返回反射面11b在非返回方向上反射，并被發(fā)射到基板11外。存在下述可能性以這種方式發(fā)射的光線L2成為對(duì)觀察眼的雜散光。
來(lái)自顯示器的光通量L對(duì)基板11的表面11-1或表面11-2的入射角θi和返回反射面11b與基板11的法線形成的角θM之間的關(guān)系如以下等式(3)所示。
θM＝90°-θi……(3)
因此，光線L2在返回反射面11b上的入射角θ’通過(guò)以下等式(4)顯示。
θ’＝2θM＝2(90°-θi)……(4)例如，當(dāng)類似于第一實(shí)施例的解釋?duì)萯＝60°時(shí)，由于θM＝30°，所以θ’＝60°。
下一步，將解釋各個(gè)修改例子。
根據(jù)各個(gè)修改例子，添加一個(gè)返回反射面，以便消除雜散光的發(fā)生。
圖20(a)、(b)、(c)、(d)、(e)顯示了第一到第五修改例子。圖21顯示了通過(guò)進(jìn)一步修改第二到第五修改例子作出的第六修改例子。
(第一修改例子)根據(jù)第一修改例子，如圖20(a)所示，布置了反復(fù)反射面11b、11b’。首先，返回反射面11b的法線方向與光線L1的前進(jìn)方向一致。
返回反射面11b的反射率的角度特性在至少垂直線附近(0°附近)到角θ’附近的寬范圍之上顯示了高反射率。
因此，返回反射面11b返回光線L1表示的光通量的光路，并且在非返回方向上反射光線L2表示的光通量。
另一方面，布置返回反射面11b’的位置布置在通過(guò)返回反射面11b反射的光線L2的光路(通過(guò)光線L2表示的光通量的光路)處。
返回反射面11b’的法線方向與光線L2的前進(jìn)方向一致。
返回反射面11b’的反射率的角度特性至少在垂直線附近(0°附近)顯示了高反射率。因此，返回反射面11b’返回了光線L2表示的光通量的光路。
作為上述的結(jié)果，根據(jù)修改的例子，比第一實(shí)施例更加穩(wěn)固地返回了來(lái)自顯示器的光通量L的光路。因此，抑制了雜散光的發(fā)生。
銀、鋁等的金屬膜或介電多層膜等的普通反射膜適用于具有上述特性的返回反射面11b、11b’。進(jìn)一步，特性類似于反射膜的全息表面也能夠應(yīng)用于返回反射面11b、11b’。
進(jìn)一步，當(dāng)θi＝60°時(shí)，由于返回反射面11b’的法線方向與基板11的法線方向一致，所以可以在基板11的一個(gè)表面11-2的部分區(qū)域中提供反射膜，并且使用該反射膜作為返回反射面11b’，如圖20(a)所示。
進(jìn)一步，當(dāng)確保與返回反射面11b在表面11-2上的投影圖像相同的尺寸時(shí)，返回反射面11b’的尺寸是足夠的，并且優(yōu)選的是將該尺寸限制到必要最小，以便眼鏡顯示器的透明清晰度不被惡化。
(第二修改例子)根據(jù)第二修改例子，如圖20(b)所示，布置返回反射面11b”、11b。
返回反射面11b”的姿勢(shì)與第一修改例子的返回反射面11b相同。
返回反射面11b”的反射率和透射率的角度特性，關(guān)于光線L1和通過(guò)傳播與光線L1相同行程而反射的外圍視角場(chǎng)的光通量，顯示了足夠高的反射率。進(jìn)一步，該角度特性關(guān)于其他角度范圍，至少光線L2和通過(guò)傳播與光線L2相同行程而反射的外圍視角場(chǎng)的光通量(至少這樣的角度中，通過(guò)所述角度，至少光通量在返回反射面11b”上入射)，顯示了足夠高的透射率。
亦即，返回反射面11b”的反射率和透射率的角度特性，在垂直線附近(0°附近)顯示了高反射率，并且在角度θ’附近顯示了高透射率。
因此，返回反射面11b”返回光線L1表示的光通量的光路，并且透射光線L2表示的光通量。
另一方面，布置返回反射面11b的位置布置在通過(guò)返回反射面11b”透射的光通量(光線L2表示的光通量)的光路中。
返回反射面11b的法線方向與光線L2的前進(jìn)方向一致。注意，此時(shí)，傾斜返回反射面11b的方向和傾斜返回反射面11b”的方向彼此相反，并且其通過(guò)基板11的法線形成的角度分別變?yōu)棣萂。
返回反射面11b的反射率的角度特性與第一修改例子的返回反射面11b相同。
因此，返回反射面11b返回光線L2表示的光通量的光路。
作為上述的結(jié)果，根據(jù)修改的例子，實(shí)現(xiàn)了與第一修改例子類似的效果。
具有上述特性的返回反射面11b”能夠施加以介電多層膜或全息表面。進(jìn)一步，優(yōu)選的是使返回反射面11b”和返回反射面11b之間的間隔盡可能小，以便降低眼鏡顯示器的尺寸。當(dāng)該間隔增加時(shí)，通過(guò)出射光瞳在左右方向上的位置的垂直視角(正交于紙面的方向上的視角)的變化增加，因此優(yōu)選的是減少該間隔同樣以便抑制該變化。
(第三修改例子)根據(jù)第三修改例子，如圖20(c)所示，顛倒第二修改例子的傾斜返回反射面11b和返回反射面11b”的方向。
返回反射面11b”的反射率和透射率的角度特性，關(guān)于光線L2和通過(guò)傳播與光線L2相同行程而反射的外圍視角場(chǎng)的光通量，顯示了足夠高的反射率。進(jìn)一步，該角度特性關(guān)于其他角度范圍，至少光線L1和通過(guò)傳播與光線L1相同行程而反射的外圍視角場(chǎng)的光通量(至少光通量在返回反射面11b”上入射的角度中)，顯示了足夠高的透射率。
進(jìn)一步，返回反射面11b”的構(gòu)成可以與根據(jù)第二修改例子的返回反射面11b”相同。這是因?yàn)?，第三修改例子的返回反射?1b”和光線L2之間的關(guān)系，與根據(jù)第二修改例子的返回反射面11b”和光線L1之間的關(guān)系(亦即0°入射角)相同，并且中心視角場(chǎng)的光線和外圍視角場(chǎng)的光線之間的角度，在第二修改例子和第三修改例子之間保持相同。
因此，返回反射面11b”返回光線L2表示的光通量的光路，并透射光線L1表示的光通量。
返回反射面11b返回通過(guò)返回反射面11b”透射的光通量(光線L1表示的光通量)的光路。
作為上述的結(jié)果，根據(jù)修改的例子，實(shí)現(xiàn)了與上述各個(gè)修改例子類似的效果。
進(jìn)一步，優(yōu)選的是使返回反射面11b和返回反射面11b”之間的間隔盡可能小，以便降低眼鏡顯示器的尺寸。順便提及，當(dāng)間隔增加時(shí)，通過(guò)出射光瞳在左右方向上的位置的垂直視角(正交于紙面的方向上的視角)的變化增加，因此優(yōu)選的是減少該間隔同樣以便抑制該變化。
(第四修改例子)根據(jù)第四修改例子，如圖20(d)所示，具有彼此相反傾斜方向的兩片返回反射面11b”相互交叉并布置在基板11內(nèi)。
兩片返回反射面11b”的反射率和透射率的角度特性與根據(jù)上述各個(gè)修改例子的返回反射面11b”相同。
因此，一側(cè)的返回反射面11b”返回光線L1表示的光通量的光路，并透射光線L2表示的光通量。
進(jìn)一步，另一側(cè)的返回反射面11b”返回光線L2表示的光通量的光路，并透射光線L1表示的光通量。
如上所述，根據(jù)修改的例子，與上述修改例子類似的效果是可實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步，沒(méi)有必要的是，交叉兩片返回反射面11b”的點(diǎn)是基板11在厚度方向上的中間點(diǎn)。
(第五修改例子)根據(jù)第五修改例子，如圖20(e)所示布置返回反射面11b”、11b。
返回反射面11b”的姿勢(shì)與根據(jù)第二修改例子的返回反射面11b”相同。
返回反射面11b”的反射率和透射率的角度特性與上述各個(gè)修改例子的返回反射面11b”相同。
因此，返回反射面11b”返回光線L1表示的光通量的光路，并透射光線L2表示的光通量。
另一方面，布置返回反射面11b的位置布置在通過(guò)返回反射面11b”透射之后已被內(nèi)部反射奇數(shù)次(優(yōu)選地為1次)的光通量(光線L2表示的光通量)的光路處。
返回反射面11b的法線方向與光線L2的前進(jìn)方向一致。此時(shí)，返回反射面11b的姿勢(shì)變得與返回反射面11b”的姿勢(shì)相同。
返回反射面11b的反射率的角度特性與上述各個(gè)修改例子的返回反射面11b相同。
因此，返回反射面11b返回光線L2表示的光通量的光路。
如上所述，根據(jù)修改的例子，與上述修改例子類似的效果是可實(shí)現(xiàn)的。
(修改例子的補(bǔ)充)進(jìn)一步，盡管上面解釋的各個(gè)修改例子的各個(gè)返回反射面在左右方向上的位置基本上是任意的，但是優(yōu)選的是考慮到機(jī)械加工和集成的條件選擇最佳位置。
進(jìn)一步，當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量L的波長(zhǎng)被限制到特定波長(zhǎng)成分時(shí)(當(dāng)眼鏡顯示器的液晶顯示器21的光源提供有具有LED等的窄頻帶的頻譜特性時(shí))，上述返回反射面11b”僅須至少對(duì)特定波長(zhǎng)成分顯示所述特性。當(dāng)以這種方式限制來(lái)自顯示器的光通量L的波長(zhǎng)成分時(shí)，促進(jìn)了返回反射面11b”中使用的反射膜的設(shè)計(jì)自由度。
進(jìn)一步，當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量L被限制到特定偏振光成分時(shí)(當(dāng)眼鏡顯示器的液晶顯示器21的光源被限制到特定偏振光成分時(shí))，上述返回反射面11b”可以至少關(guān)于特定偏振光成分顯示所述特性。當(dāng)以這種方式限制來(lái)自顯示器的光通量L的偏振光成分時(shí)，促進(jìn)了返回反射面11b”中使用的反射膜的設(shè)計(jì)自由度。
特別地，當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量L的偏振光成分被限制到s偏振光時(shí)，優(yōu)選的是，第二到第五修改例子被進(jìn)一步修改以構(gòu)造第六修改例子。
(第六修改例子)根據(jù)第六修改例子，如圖21(b)、(c)、(d)、(e)所示，在來(lái)自顯示器的光通量L首先在其上入射的返回反射面11b”的表面處提供λ/2板11c。進(jìn)一步，在圖21中，λ/2板11c通過(guò)多多少少被轉(zhuǎn)移來(lái)顯示，以利于理解形成λ/2板11c的部分。
根據(jù)λ/2板11c，所有的在返回反射面11b”上入射的光通量的偏振方向都變?yōu)閜偏振光成分。
進(jìn)一步，返回反射面11b”的反射率和透射率的角度特性被設(shè)置為這樣的返回反射面11b”，其用于透射角θ’附近的p偏振光成分的光通量，并反射垂直線附近(0°附近)的光通量。
設(shè)計(jì)用作返回反射面11b”的反射膜的自由度高。
因此，根據(jù)使用λ/2板11c的修改例子，穩(wěn)固地促進(jìn)了設(shè)計(jì)反射膜的自由度。
例1本發(fā)明的第一例子將解釋如下。
該例子是包括光學(xué)多層的反射-透射表面13a。進(jìn)一步，當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量L被限制到s偏振光時(shí)，應(yīng)用反射-透射表面13a。
反射-透射表面13a的構(gòu)成表達(dá)如下。這里，為了表達(dá)該構(gòu)成，作為一個(gè)單元的層附有括弧。
基板/(0.3L0.27H0.14L)k1·(0.155L0.27H0.155L)k2·(0.14L0.27H0.3L)k3/基板進(jìn)一步，基板的折射率被設(shè)置為1.74。進(jìn)一步，每個(gè)層的符號(hào)H指示高折射率層(折射率2.20)，符號(hào)L指示低折射率層(折射率1.48)，各個(gè)層的上標(biāo)k1、k2、k3指示各個(gè)層的層壓次數(shù)(其在這里為1)，附在每個(gè)層前面的數(shù)字指示對(duì)于具有780nm波長(zhǎng)的光的每個(gè)層的光學(xué)膜厚度(nd/λ)。
反射-透射表面13a的反射率的波長(zhǎng)特性如圖22、圖23所示。
圖22顯示了用于垂直入射光(0°入射角)的波長(zhǎng)特性，圖23顯示了用于60°的入射光(60°入射角)的波長(zhǎng)特性。進(jìn)一步，在圖22、圖23中，符號(hào)Rs指示關(guān)于s偏振光的特性，符號(hào)Rp指示關(guān)于p偏振光的特性，符號(hào)Ra指示關(guān)于s偏振光和p偏振光的平均特性。
如圖22所示，關(guān)于垂直入射光，就可見(jiàn)光區(qū)域(400到700nm)總體之上平均而言，反射率被限制到百分之幾。
如圖23所示，關(guān)于60°的s偏振入射光，在可見(jiàn)光區(qū)域(400到700nm)總體之上提供了大約100％的反射率。
進(jìn)一步，反射-透射表面13a的構(gòu)成被模型化(歸納)如下。
基板/(匹配層)k1·(反射層)k2·(匹配層)k3/基板各個(gè)層由層壓的低折射率層L、高折射率層H和低折射率層L制成，并且被如此設(shè)置，以致于通過(guò)60°的入射增加反射率。作為中心層的反射層趨于造成通過(guò)垂直入射的反射，所以為了抑制反射起見(jiàn)，優(yōu)化匹配層I、II的各個(gè)層的膜厚度。
在設(shè)計(jì)中，可以增加或減少模型的各個(gè)層的層壓k1、k2、k3的次數(shù)，或者可以根據(jù)光的入射角、基板的折射率等調(diào)整匹配層I、II的各個(gè)層的膜厚度。
進(jìn)一步，當(dāng)一個(gè)基板與反射-透射表面13a之間的關(guān)系和另一個(gè)基板與反射-透射表面13a之間的關(guān)系彼此不同時(shí)(當(dāng)兩個(gè)基板的折射率彼此不同、或者附著層插入在一個(gè)基板和反射-透射表面13a之間等時(shí))，可以單獨(dú)地調(diào)整匹配層I、II的層壓次數(shù)和各個(gè)層的膜厚度。
進(jìn)一步，盡管本實(shí)施例的反射-透射表面13a對(duì)s偏振光實(shí)現(xiàn)了一定特性，但是當(dāng)假如打算對(duì)s偏振光和p偏振光兩者實(shí)現(xiàn)類似的特性時(shí)，反射-透射表面13a可以被修改如下。
如圖23所示，根據(jù)本實(shí)施例的反射-透射表面13a，關(guān)于p偏振光，反射率僅被部分的可見(jiàn)光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，因此，上述構(gòu)成可以與具有從上述各個(gè)層偏離的中心波長(zhǎng)(使反射率最大化的波長(zhǎng))的一個(gè)或多個(gè)層連接。從而能夠通過(guò)不僅對(duì)s偏振光而且還對(duì)p偏振光的可見(jiàn)光區(qū)域總體實(shí)現(xiàn)反射率。
例2本發(fā)明的第二例子將解釋如下。
本實(shí)施例是包括光學(xué)多層的第一反射-透射表面12a-1的例子。進(jìn)一步，當(dāng)來(lái)自顯示器的光通量L被限制到s偏振光時(shí)，應(yīng)用第一反射-透射表面12a-1。
第一反射-透射表面12a-1的基本構(gòu)成顯示如下。
基板/(0.5L0.5H)k1·A(0.5L0.5H)k2/基板進(jìn)一步，基板的折射率被設(shè)置為1.54。進(jìn)一步，每個(gè)層的符號(hào)H指示高折射率層(折射率1.68)，L低折射率層(折射率1.48)，各個(gè)層的上標(biāo)k1、k2指示各個(gè)層的層壓次數(shù)，附在每個(gè)層前面的數(shù)字指示每個(gè)層的對(duì)于具有430nm波長(zhǎng)的光的光學(xué)膜厚度(nd/λ)，附在第二層前面的字符A指示用于校正第二層的膜厚度的校正系數(shù)。
根據(jù)基本構(gòu)成，第一層和第二層兩者對(duì)可見(jiàn)光內(nèi)外的有關(guān)波長(zhǎng)都提供有0.5λ的光學(xué)膜厚度，并且具有這樣的膜厚度的層顯示了與膜在中心波長(zhǎng)處不存在的情況基本上相同的反射率。進(jìn)一步，同樣地高折射率層H和低折射率層L兩者的折射率沒(méi)有不同于基板的折射率這么多，因此，同樣垂直入射中的界面處的菲涅耳反射也小。因此，垂直入射光由此很難被反射。
另一方面，當(dāng)折射率用符號(hào)n指示時(shí)，基板和各個(gè)層對(duì)入射角θ的光學(xué)導(dǎo)納(optical admittance)，對(duì)p偏振光用ncosθ表達(dá)，并且對(duì)s偏振光用n/cosθ表達(dá)。亦即，對(duì)于s偏振光，材料之間導(dǎo)納的比率根據(jù)入射角θ的增加而增加。因此，界面處的菲涅耳反射根據(jù)入射角θ的增加而增加，結(jié)果，反射率增加。通過(guò)上述原理設(shè)置上述基本構(gòu)成。
現(xiàn)在，為了將第一反射-透射表面12a-1的反射率的波長(zhǎng)特性設(shè)置為預(yù)期特性，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整基本構(gòu)成的各個(gè)參數(shù)(這里指k1、A、k2)。
(例2’)例如，為了實(shí)現(xiàn)關(guān)于60°的入射光在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域中大約15％的平均透射率，參數(shù)可以為k1＝4，A＝1.36，k2＝4。這種情況下的第一反射-透射表面12a-1的構(gòu)成表達(dá)如下。
基板/(0.5L0.5H)4·1.36(0.5L0.5H)4/基板第一反射-透射表面12a-1的反射率的波長(zhǎng)特性如圖24、圖25所示。
圖24顯示了用于垂直入射光的波長(zhǎng)特性，圖25是用于60°的入射光的波長(zhǎng)特性。進(jìn)一步，進(jìn)一步，在圖24、圖25中，符號(hào)Rs指示用于s偏振光的特性，符號(hào)Rp指示用于p偏振光的特性，符號(hào)Ra指示用于s偏振光和p偏振光的平均特性。
如圖24所示，對(duì)于垂直入射光，反射率在可見(jiàn)光區(qū)域(400到700nm)總體之上被限制到大約0％。
如圖25所示，對(duì)于60°的s偏振入射光，在可見(jiàn)光區(qū)域(400到700nm)總體之上實(shí)現(xiàn)了平均85％的反射率(亦即，透射率為15％)。
(第二實(shí)施例-2)進(jìn)一步，例如，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于60°的入射光在可見(jiàn)光區(qū)域總體之上平均大約30％的透射率，參數(shù)可以被設(shè)置為k1＝3，k2＝3，A＝1.56。第一反射-透射表面12a-1的構(gòu)成這里表達(dá)如下。
基板/(0.5L0.5H)3·1.56(0.5L0.5H)3/基板第一反射-透射表面12a-1的反射率的波長(zhǎng)特性如圖26、圖27所示。
圖26顯示了用于垂直入射光的波長(zhǎng)特性，圖27是用于60°的入射光的波長(zhǎng)特性。進(jìn)一步，進(jìn)一步，在圖26、圖27中，符號(hào)Rs指示用于s偏振光的特性，符號(hào)Rp指示用于p偏振光的特性，符號(hào)Ra指示用于s偏振光和p偏振光的平均特性。
如圖26所示，對(duì)于垂直入射光，反射率在可見(jiàn)光區(qū)域(400到700nm)總體之上被限制到大約0％。
如圖27所示，對(duì)于60°的s偏振入射光，實(shí)現(xiàn)了平均70％的可見(jiàn)光區(qū)域(400到700nm)總體的反射率(亦即，透射率為30％)。
例3本發(fā)明的第三例子將解釋如下。
本實(shí)施例是由金屬膜組成的第二反射-透射表面12a-2、12a-2’。
金屬膜實(shí)現(xiàn)了易于制造和便宜的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本實(shí)施例，Cr(鉻)用于第二反射-透射表面12a-2、12-2’。
在第二反射-透射表面12a-2、12a-2’上對(duì)30°的入射光的反射率/透射率的波長(zhǎng)特性如圖28、圖29所示。
圖28顯示了當(dāng)Cr的膜厚度被設(shè)置為10nm時(shí)的特性，圖29顯示了當(dāng)Cr的膜厚度被設(shè)置為20nm時(shí)的特性。進(jìn)一步，在圖28、圖29中，符號(hào)Ra指示反射率，符號(hào)Ta指示透射率。
如圖28所示，當(dāng)膜厚度被設(shè)置為10nm時(shí)，在可見(jiàn)光區(qū)域之上僅實(shí)現(xiàn)了平均40％以上的透射率，同樣僅實(shí)現(xiàn)了平均10％以上的反射率。這里，十分之四的來(lái)自外部的光通量能夠到達(dá)出射光瞳E，并且只有十分之一的來(lái)自顯示器的光通量L能夠到達(dá)出射光瞳E，其平衡被吸收。
如圖29所示，當(dāng)膜厚度被設(shè)置為20nm時(shí)，盡管反射率和透射率變得基本上彼此相等，但是僅能夠利用其入射光的20％以上。用這種方法，盡管金屬膜實(shí)現(xiàn)了上述優(yōu)點(diǎn)，但是被吸收的光損失大，并且引起了來(lái)自顯示器的光通量L的光量減少和透明清晰度惡化。
例4本發(fā)明的第四例子將解釋如下。
該例子是包括光學(xué)多層(稍后提到的3波段反射鏡或偏振射束分離器型反射鏡)的第二反射-透射表面12a-2、12a-2’的例子。進(jìn)一步，第二反射-透射表面12a-2、12a-2’考慮到下述事實(shí)液晶顯示器21提供有發(fā)射光譜。
圖30顯示了液晶顯示器21的發(fā)射光譜分布(發(fā)射亮度的波長(zhǎng)特性)。如從示圖知道的那樣，發(fā)射光譜分布包括基本上640nm(R色)、520nm(G色)、460nm(B色)的各自附近處的峰值。
優(yōu)選的是，第二反射-透射表面12a-2、12a-2’主要在所述波長(zhǎng)區(qū)域處提供有高反射率。進(jìn)一步，優(yōu)選的是，如果可能的話也考慮到偏振光。
因此，根據(jù)本實(shí)施例，作為第二反射-透射表面12a-2、12a-2’，應(yīng)用下面顯示的3波段反射鏡或偏振射束分離器型反射鏡。
3波段反射鏡僅反射發(fā)射光譜峰值附近的窄波長(zhǎng)區(qū)域處的光。
偏振射束分離器型反射鏡僅反射發(fā)射光譜峰值附近的窄波長(zhǎng)區(qū)域的光，并且將反射對(duì)象僅限制到s偏振光成分。
首先，包括3波段反射鏡的第二反射-透射表面12a-2、12a-2’僅反射有限波長(zhǎng)區(qū)域的光，因此，來(lái)自顯示器的光通量L的損失被抑制，并且屏幕的亮度被維持。進(jìn)一步，盡管第二反射-透射表面12a-2、12a-2’不能透射來(lái)自外部的光通量的有限波長(zhǎng)區(qū)域的光，但是幾乎其他波長(zhǎng)區(qū)域的光由此被透射，因此，抑制了來(lái)自外部的光通量的損失，并且促進(jìn)了透明清晰度。
進(jìn)一步，包括偏振射束分離器型反射鏡的反射-透射表面12a-2、12a-2’進(jìn)一步僅反射有限波長(zhǎng)區(qū)域的s偏振光成分，因此，只要來(lái)自顯示器的光通量L被限制到s偏振光，就進(jìn)一步抑制了來(lái)自顯示器的光通量L的損失，并且顯示屏被維持進(jìn)一步明亮。進(jìn)一步，在來(lái)自外部的光通量中，只有有限波長(zhǎng)區(qū)域的s偏振光成分不能透射通過(guò)第二反射-透射表面12a-2、12a-2’，因此，進(jìn)一步抑制了來(lái)自外部的光通量的損失，并且進(jìn)一步促進(jìn)了透明清晰度。
用于30°入射光的3波段反射鏡的反射率(透射率)的波長(zhǎng)特性如圖31所示，用于30°入射光的偏振射束分離器型反射鏡的反射率(透射率)的波長(zhǎng)特性如圖32所示。進(jìn)一步，在圖31、圖32中，符號(hào)Rs指示用于s偏振光的反射率，符號(hào)Rp指示用于p偏振光的反射率，符號(hào)Ra指示用于s偏振光和p偏振光的平均反射率，符號(hào)Ts指示用于s偏振光的透射率，符號(hào)Tp指示用于p偏振光的透射率。
如圖31所示，根據(jù)3波段反射鏡，對(duì)于分別對(duì)應(yīng)于R色、G色、B色的波長(zhǎng)區(qū)域的光，實(shí)現(xiàn)了大約70％的反射率。
進(jìn)一步，圖31顯示了多層膜(被稱作負(fù)濾光器)上的用于R色、G色、B色的數(shù)據(jù)，所述多層膜僅反射特定波長(zhǎng)區(qū)域的光并透射其他光。在計(jì)算機(jī)上顯示膜被層壓時(shí)的數(shù)據(jù)，并且最優(yōu)設(shè)計(jì)總體層構(gòu)造。
如圖32所示，根據(jù)偏振射束分離器型反射鏡，波長(zhǎng)區(qū)域的寬度被擴(kuò)大，而不是擴(kuò)大峰值反射率的高度，并且確保了來(lái)自顯示器的光通量L總體的光量。因?yàn)楫?dāng)s偏振光的反射率通過(guò)30°的入射角增加時(shí)，據(jù)此，p偏振光的反射率也增加。另一方面，在更大的入射角處，能夠確保p偏振光的透射率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本上100％的s偏振光的反射率。因此，當(dāng)將偏振射束分離器型反射鏡應(yīng)用到多反射鏡作為第二反射-透射表面時(shí)，取決于多反射鏡的結(jié)構(gòu)，非常有效的偏轉(zhuǎn)特性是可實(shí)現(xiàn)的。
圖32顯示了僅反射特定波長(zhǎng)區(qū)域的s偏振光并透射其他光的偏振射束分離器型反射鏡上的用于R色、G色、B色的數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)上顯示膜被層壓時(shí)的數(shù)據(jù)，并且最優(yōu)設(shè)計(jì)總體層構(gòu)造。
例5本發(fā)明的第五例子將解釋如下。
該例子是形成各個(gè)實(shí)施例中使用的各個(gè)全息表面的方法的例子。
基本上，制備全息感光材料，使用于參考的光和來(lái)自對(duì)象的光從垂直方向和角度θ在全息感光材料上入射，并且通過(guò)R色、G色、B色的3種波長(zhǎng)進(jìn)行多次曝光。
將角度θ設(shè)置為等于將要以高衍射效率反射的光的入射角。全息感光材料被顯影并漂白。
當(dāng)在預(yù)期表面上粘貼以這種方式產(chǎn)生的全息感光材料時(shí)，該表面能夠用作全息表面。
進(jìn)一步，當(dāng)形成具有與具有第二反射-透射表面12a-2、12a-2’兩者的多反射鏡12a(參考圖6)相同的功能的全息表面時(shí)，通過(guò)將上述角度不僅設(shè)置為θ而且還設(shè)置為-θ，可以進(jìn)行多次曝光兩遍。
進(jìn)一步，通常，由于全息感光材料是由樹(shù)脂膜制成的，所以極其容易將該材料粘貼到預(yù)期基板上或者將粘貼的基板集成到另外的基板。
例6本發(fā)明的第六例子將解釋如下。
該例子是應(yīng)用于第六修改例子(參考圖21，來(lái)自顯示器的光通量L被限制到s偏振光)的返回反射面11b”的例子。進(jìn)一步，將入射角設(shè)置為θ’＝60°。符號(hào)θ’指示光線L2在返回反射面11b上的入射角(參考圖19(a))。
首先，返回反射面11b”的基本構(gòu)成通過(guò)任何的以下3種類型表達(dá)。
(1)基板/(0.25H0.25L)k0.25H/基板(2)基板/(0.125H0.25L0.125H)k/基板(3)基板/(0.125L0.25H0.125L)k/基板由此，這個(gè)例子采用第一種類型(1)，使用周期性層組中的兩個(gè)設(shè)置基本構(gòu)成，以便延伸反射波段，并且通過(guò)試錯(cuò)法獲得40層的以下構(gòu)成。
基板/(0.25H0.25L)100.1L(0.3125H0.3125L)10/基板進(jìn)一步，基板的折射率被設(shè)置為1.56。進(jìn)一步，高折射率層H的折射率被設(shè)置為2.20，低折射率層L的折射率被設(shè)置為1.46。
此時(shí)，返回反射面11b”的反射率的角度/波長(zhǎng)特性如圖33所示。
在圖33中，符號(hào)R(0°)指示用于垂直入射光的反射率的波長(zhǎng)特性。反射率在可見(jiàn)光區(qū)域中變?yōu)榛旧?00％。
進(jìn)一步，符號(hào)Rp(60°)指示用于60°的p偏振入射光的光反射率的波長(zhǎng)特性。反射率在可見(jiàn)光區(qū)域中變?yōu)榛旧?％。亦即，對(duì)60°的p偏振入射光的光透射率在可見(jiàn)光區(qū)域中變?yōu)榛旧?00％(說(shuō)明附圖的方法也在以下各個(gè)示圖中保持相同)。
(例6’)進(jìn)一步，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，并且層數(shù)的減少和特性的改善已被嘗試。由此實(shí)現(xiàn)的多層膜的構(gòu)成、反射率/透射率的角度/波長(zhǎng)特性如圖34、圖35所示。
如在圖34、圖35中明顯的那樣，可以知道的是，通過(guò)最優(yōu)設(shè)計(jì)減少了層數(shù)，對(duì)于垂直入射光的反射率變得進(jìn)一步接近100％，對(duì)于p偏振光的入射光的透射率變得進(jìn)一步接近100％。
例7本發(fā)明的第七例子將解釋如下。
該例子是應(yīng)用于第六修改例子(參考圖21，來(lái)自顯示器的光通量L被限制到s偏振光)的返回反射面11b”的例子。進(jìn)一步，θ’＝60°。進(jìn)一步，本實(shí)施例的返回反射面11b”考慮到下述事實(shí)液晶顯示器21提供有發(fā)射光譜(參考圖30)。
類似于例6，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。由此獲得的多層膜的構(gòu)成、多層膜的反射率/透射率的角度/波長(zhǎng)特性如圖36、圖37所示。
如在圖36中明顯的那樣，可以知道進(jìn)一步減少了層數(shù)。
如在圖37中明顯的那樣，可以知道垂直入射光中的特定波長(zhǎng)成分(R色、G色、B色)的反射率被設(shè)置為高，并且減少了其他不必要波長(zhǎng)成分的反射率。通過(guò)僅增加必要波長(zhǎng)成分的反射率，減少了層數(shù)。
例8該例子是形成圖20、圖21中顯示的返回反射面11b、11b’、11b”中使用的全息表面的方法的例子。
原理與例5相同，并且特征僅在于用于參考的光和來(lái)自對(duì)象的光在全息感光材料上的入射角，將參考圖38給出其解釋。
如圖38所示，從光源51發(fā)射的激光被半反射鏡HM分支成兩束激光，并且兩束分支激光的直徑分別經(jīng)由反射鏡M被光束擴(kuò)展器52、53擴(kuò)大。兩束激光用作來(lái)自對(duì)象的光和用于參考的光。
在已由射束分離器BS疊加之后，使來(lái)自對(duì)象的光和用于參考的光在全息感光材料54上垂直入射。在所述狀態(tài)下，曝光全息感光材料54。
當(dāng)以這種方式使來(lái)自對(duì)象的光和用于參考的光在全息感光材料54上垂直入射時(shí)，能夠形成用于通過(guò)高反射率反射垂直入射(參考圖20、圖21)的來(lái)自顯示器的光通量L的全息表面。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，包括透射板，用于在內(nèi)部重復(fù)地反射圖像顯示元件的每個(gè)視角場(chǎng)處的來(lái)自顯示器的光通量，由此在其中形成所述光通量的光路；以及光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件，其被提供以與用于所述內(nèi)部反射的所述基板的一個(gè)表面的預(yù)定區(qū)域緊密接觸，用于向所述基板的外部發(fā)射已到達(dá)所述預(yù)定區(qū)域的所述光通量中每一個(gè)的一部分，并且用于通過(guò)反射以預(yù)定方向偏轉(zhuǎn)每個(gè)光通量的所述部分，其中所述光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)形成所述圖像顯示元件的顯示屏的虛像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件的偏轉(zhuǎn)特性提供有這樣的分布使在所述光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)的出射光瞳上入射的所述光通量的亮度均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括返回反射面，用于返回所述光通量的所述光路以返回所述光通量，所述光路形成在所述基板內(nèi)，其中所述偏轉(zhuǎn)光學(xué)部件以相同的方向偏轉(zhuǎn)穿過(guò)前向路徑的來(lái)自顯示器的所述光通量的一部分和穿過(guò)后向路徑的來(lái)自顯示器的所述光通量的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中，所述返回反射面由以下組成第一反射面，用于在第一角度范圍之內(nèi)返回穿過(guò)所述基板內(nèi)預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路；以及第二反射面，用于在從所述第一角度范圍偏離的第二角度范圍之內(nèi)返回穿過(guò)所述預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中所述第一反射面具有以非返回方向反射在所述第二角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)；并且所述第二反射面以所述非返回方向返回通過(guò)所述第一反射面反射的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中所述第一反射面具有透射在所述第二角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)，并且所述第二反射面返回通過(guò)所述第一反射面透射的來(lái)自顯示器的所述光通量的光路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中所述第一反射面和所述第二反射面布置在所述基板內(nèi)相同位置處以相互交叉；所述第一反射面具有透射在所述第二角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)，并且所述第二反射面具有透射在所述第一角度范圍之內(nèi)經(jīng)過(guò)的來(lái)自顯示器的所述光通量的性質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任何一項(xiàng)所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件由以下組成第一光學(xué)表面，其被提供以與所述預(yù)定區(qū)域緊密接觸，用于向所述基板的外部透射已到達(dá)所述預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的所述光通量中每一個(gè)的一部分；以及多反射鏡，其提供在與所述基板相對(duì)的所述第一光學(xué)表面一側(cè)，并且由排列成行且向所述基板的法線傾斜的多個(gè)微反射面組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中，光學(xué)多層和光學(xué)衍射表面中之一用于所述微反射面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任何一項(xiàng)所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件由光學(xué)衍射部件組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求10中任何一項(xiàng)所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件提供有透射從外部向所述出射光瞳的方向傳播的光通量的至少一部分的特性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件提供有將所述偏轉(zhuǎn)的對(duì)象限制到具有與來(lái)自顯示器的所述光通量的波長(zhǎng)相同的波長(zhǎng)的光的特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求12中任何一項(xiàng)所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括對(duì)將要布置在所述出射光瞳處的觀察眼進(jìn)行屈光度校正的功能。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括另一個(gè)基板，其連接到所述基板以在其間插入所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件，其中與所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件相對(duì)的所述另一個(gè)基板的表面具有曲面，并且進(jìn)行所述屈光度校正的至少一部分。
15.一種圖像顯示單元，包括根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求14中任何一項(xiàng)所述的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)；以及圖像顯示元件。
全文摘要
具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)基片的光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)(1)能夠確保大的出射光瞳。光學(xué)圖像顯示系統(tǒng)(1)包括透射板(11)，其內(nèi)具有通過(guò)重復(fù)地內(nèi)部反射光通量形成的圖像顯示元件(21)每個(gè)視角場(chǎng)處的來(lái)自顯示器的光通量(L)的光路；以及光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件(12a)，其被提供以與用于內(nèi)部反射的基板(11)的一個(gè)表面(11－1)的預(yù)定區(qū)域緊密接觸，并且向基板的外部發(fā)射已到達(dá)預(yù)定區(qū)域的來(lái)自顯示器的光通量(L)中的每一個(gè)的一部分，而且通過(guò)反射以預(yù)定方向偏轉(zhuǎn)每個(gè)光通量的部分，從而形成圖像顯示元件的顯示屏的虛像。
文檔編號(hào)G02B25/00GK1930510SQ20058000802
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者平山義一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社尼康