專(zhuān)利名稱：光學(xué)元件、合成器光學(xué)系統(tǒng)以及圖像顯示單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有透視特性的光傳播的光學(xué)元件、利用該光學(xué)元件的合成器光學(xué)系統(tǒng)以及利用該合成器光學(xué)系統(tǒng)的圖像顯示單元。
背景技術(shù)：
存在于諸如空氣、真空或其他氣體的低折射率介質(zhì)中的諸如玻璃基片的高折射率材料(透明的基片)引起光以大于只用透明基片才有的臨界角的角度入射在其上的通量的內(nèi)部反射，同時(shí)透射以小于該臨界角的角度入射在其上的光通量，也就是說(shuō)，它具有內(nèi)部反射功能和透視特性。
利用這種透明基片作為光傳播光學(xué)元件的一種圖像顯示單元是眼鏡顯示器(專(zhuān)利文獻(xiàn)1、專(zhuān)利文獻(xiàn)2等)。
在眼睛顯示器中，透明的基片設(shè)置在觀察者眼睛的前面，來(lái)自圖像顯示元件的圖像傳輸(carry)光通量在透明基片中傳播到離觀察眼睛的瞳孔非常近的位置，而且被重疊在諸如設(shè)置在該透明基片中的半反射鏡的合成器上的外部光通量上，然后入射在該瞳孔上。
這種眼鏡顯示器使觀察者能夠同時(shí)觀察外部視場(chǎng)的圖像和該圖像顯示元件的圖像。
為了實(shí)現(xiàn)眼鏡顯示器的廣泛的應(yīng)用，除了其他各種功能之外需要增加和眼鏡同樣的功能(屈光度校正)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本未審查專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)2001-264682專(zhuān)利文獻(xiàn)2日本內(nèi)部公布號(hào)2003-536102

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，在利用透明基片的內(nèi)部反射功能的眼睛顯示器中，透明基片自身不可能具有彎曲表面，因而不可能具有折射能力，也不可能在該透明基片上粘貼具有折射率的另外的折射件(具有等于或大于該透明基片的折射率的平凸透鏡或平凹透鏡)。
因此，作為增加屈光度校正的方法，目前考慮的想法是將這種折射件經(jīng)由空氣隙附著在透明基片的表面上，但是這樣做涉及到下面所述的各種困難。
例如，在保持具有所需精度的空氣隙的同時(shí)很難獲得機(jī)械強(qiáng)度，而且，該方法伴隨有零件數(shù)目、重量和厚度等的增加，因而增加制造工藝的復(fù)雜性，并且增加成本。還有，根據(jù)觀察眼睛和透明基片之間的位置關(guān)系，被空氣隙反射的過(guò)多的光有時(shí)入射在觀察眼睛上，這損害明視度。
鑒于這些問(wèn)題提出本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種具有內(nèi)部反射功能和透視特性的光傳播的光學(xué)元件，即便諸如折射率高于周?chē)橘|(zhì)的折射件的部件與其表面緊密接觸也不會(huì)損害該反射功能和透視特性。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠容易具有諸如屈光度校正的功能的合成器光學(xué)系統(tǒng)，和能夠容易具有諸如屈光度校正功能的圖像顯示單元。
解決問(wèn)題的手段本發(fā)明的光學(xué)元件的特征在于包括能夠使預(yù)定的光通量傳播通過(guò)其里面的平面基片；和光學(xué)功能單元，該光學(xué)功能單元設(shè)置成與該傳播的預(yù)定光通量能到達(dá)的該平面基片的表面緊密接觸，并具有反射該預(yù)定的光通量、與到達(dá)該表面的該外部光通量發(fā)生干涉、或衍射該外部光通量的作用。
該光學(xué)功能單元可以具有沿著具體方向反射偏振的該預(yù)定的光通量和沿著另外的方向透射偏振的光通量的性質(zhì)。
該光學(xué)功能單元可以具有以所希望的反射特性反射以等于或大于臨界角的入射角到達(dá)該表面的預(yù)定的光通量的性質(zhì)。該臨界角由所述平面基片和空氣的折射率確定，并且是該平面基片內(nèi)的光通量被全反射的條件。
而且，該光學(xué)功能單元可以具有減少外部光通量而不增加該預(yù)定光通量光路的光強(qiáng)衰減的功能。
本發(fā)明的合成器光學(xué)系統(tǒng)的特征在于包括本發(fā)明的光學(xué)元件和設(shè)置在該光學(xué)元件中的合成器，從預(yù)定的圖像顯示元件發(fā)射的圖像傳輸(image-carrying)光通量在該光學(xué)元件中傳播，并且該光學(xué)元件至少以該平面基片面向該觀察眼睛的狀態(tài)將從外部視場(chǎng)引導(dǎo)的外部光通量透射到觀察眼睛，該合成器反射已經(jīng)在該平面基片中沿著該觀察眼睛的方向傳播的圖像傳輸光通量，并透射該外部光通量。
該光學(xué)功能單元可以是設(shè)置在該平面基片表面上的光學(xué)薄膜，并且第二平面基片可以設(shè)置在該光學(xué)薄膜上。
而且，該第二平面基片可以是用于屈光度校正的折射器。
而且，該光學(xué)功能單元可以設(shè)置在該平面基片的外側(cè)表面上，并且包括該光學(xué)功能單元和該第二平面基片的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以具有減少該外部光通量而不增加該圖像傳輸光通量光路的光強(qiáng)衰減的功能。
該第二基片可以具有吸收可見(jiàn)光的性質(zhì)。
而且，該光學(xué)薄膜可以具有減少該外部光通量而不增加該圖像傳輸光通量光路的光強(qiáng)衰減的功能。
而且，該光學(xué)薄膜可以用金屬和/或電介質(zhì)制造。
而且，該光學(xué)薄膜可以用全息光學(xué)薄膜制造。
而且，第二光學(xué)薄膜可以設(shè)置在該第二平面基片的表面上。
而且，該第二光學(xué)薄膜可以用金屬和/或電介質(zhì)制造。
而且，該第二光學(xué)薄膜可以用全息光學(xué)薄膜制造。
而且，該第二光學(xué)薄膜可以用電致變色薄膜制造。
而且，該第二光學(xué)薄膜可以用光致變色薄膜制造。
而且，包括該光學(xué)功能單元和第二平面基片的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以減少入射在該合成器上的外部光通量，其減少比例高于其余外部光通量的減少比例。
本發(fā)明的合成器光學(xué)系統(tǒng)還可以包括導(dǎo)向反射鏡，用于沿著使該圖像傳輸光通量能夠在該平面基片中被內(nèi)表面反射的方向，引導(dǎo)從該圖像顯示單元發(fā)射的圖像傳輸光通量。
本發(fā)明的圖像顯示單元的特征在于包括用于發(fā)射用于圖像顯示的圖像傳輸光通量的圖像顯示元件，和用于將該圖像傳輸光通量引導(dǎo)到觀察眼睛的本發(fā)明的合成器光學(xué)系統(tǒng)。
該圖像顯示單元還可以包括安裝部件，用該安裝部件該合成器光學(xué)系統(tǒng)被戴在觀察者的頭上。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，所實(shí)現(xiàn)的傳播光的光學(xué)元件具有內(nèi)部反射功能和透視特性，即便折射率高于周?chē)橘|(zhì)的折射件的部件與其表面緊密接觸該反射功能和透視特性也不會(huì)被損害。
根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)能夠容易具有諸如屈光度校正功能的合成器光學(xué)系統(tǒng)，和能夠容易具有諸如屈光度校正功能的圖像顯示單元。


圖1是第一實(shí)施例的眼睛顯示器外觀圖；圖2是第一實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖；圖3是示出存在于空氣中的玻璃基片的反射比的角度特性的曲線圖；圖4是示出用于制造HOE35的光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖5是示出第一實(shí)例的反射比的角度特性的曲線圖；圖6是示出第一實(shí)例的豎直入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖7是示出第一實(shí)例的60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖8是示出第二實(shí)例的反射比的角度特性的曲線圖；圖9是示出第二實(shí)例的豎直入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖10是示出第二實(shí)例的60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；
圖11是示出第三實(shí)例的反射比的角度特性的曲線圖；圖12是示出第三實(shí)例的豎直入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖13是示出第三實(shí)例的60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖14是示出第四實(shí)例的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖15是示出第四實(shí)例的反射比的角度特性的曲線圖；圖16是示出第四實(shí)例的豎直入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖17是示出第四實(shí)例的60°入射光的反射比波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖18是示出第五實(shí)例的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖19是示出第五實(shí)例的反射比的角度特性的曲線圖；圖20是示出第五實(shí)例的豎直入射光的反射比的波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖21是示出第五實(shí)例的60°入射光的反射比波長(zhǎng)特性的曲線圖；圖22是第二實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖；圖23是示出用于制造應(yīng)用于第二實(shí)施例的增強(qiáng)的反射薄膜22a的HOE的光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖24是示出第六實(shí)例的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖25示出以第六實(shí)例的小入射角(0°～20°入射角)的入射光的反射比的波長(zhǎng)特性；圖26示出以第六實(shí)例的大入射角(35°，40°入射角)的入射光的反射比的波長(zhǎng)特性；圖27示出第六實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)各波長(zhǎng)的光的反射比的角度特性；圖28是第三實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖；圖29是示出第七實(shí)例的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖30示出以第七實(shí)例的小入射角(0°～20°)的入射光的反射比的波長(zhǎng)特性；圖31示出以第七實(shí)例的大入射角(35°～50°)的入射光的反射比的波長(zhǎng)特性；圖32示出第七實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的光的反射比的角度特性；圖33是第四實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖；圖34是第五實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖；圖35是第六實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分的分解圖；圖36是說(shuō)明第七實(shí)施例的眼鏡顯示器的視圖；圖37是第八實(shí)施例的眼鏡顯示器的外觀圖；圖38是第八實(shí)例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的詳圖；圖39示出銀層的折射率的波長(zhǎng)特性；圖40示出銀層的消光系數(shù)的波長(zhǎng)特性；圖41示出第八實(shí)施例的減光薄膜20的平基片11側(cè)的反射比和透射比的波長(zhǎng)特性；圖42示出第八實(shí)施例的減光薄膜20的平基片11側(cè)的反射比和透射比的角度特性；圖43示出第八實(shí)施例的第一修改實(shí)例的減光薄膜20的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖44示出第八實(shí)施例的第一修改實(shí)例的減光薄膜20的透射比的波長(zhǎng)特性；圖45示出第八實(shí)施例的第二修改實(shí)例的減光薄膜20的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖46示出第八實(shí)施例的第二修改實(shí)例的減光薄膜20的透射比的波長(zhǎng)特性；圖47(a)是用于說(shuō)明在平面基片11的空氣側(cè)界面上的反射的視圖，而(b)是用于說(shuō)明在平面基片11的減光薄膜20側(cè)界面上的反射的視圖；圖48示出第一修改實(shí)例和第二修改實(shí)例的減光薄膜20的平面基片11側(cè)的反射比的角度特性；圖49示出氧化鈦(TiO2)的折射率的波長(zhǎng)特性；圖50示出氧化鈦(TiO2)的消光系數(shù)的波長(zhǎng)特性；圖51示出第八實(shí)施例的第三修改實(shí)例的減光薄膜20的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖52示出第八實(shí)施例的第三修改實(shí)例的減光薄膜20的透射比的波長(zhǎng)特性；圖53示出第八實(shí)施例的第三修改實(shí)例的減光薄膜20的平面基片11側(cè)的反射比的波長(zhǎng)特性；圖54是第九實(shí)施例的眼鏡顯示器的外觀圖；圖55是第九實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的詳圖；圖56是第九實(shí)施例的減光薄膜20、40的薄膜結(jié)構(gòu)的圖表；圖57示出減光薄膜20、40的中心區(qū)的透射比的波長(zhǎng)特性和減光薄膜20的周邊區(qū)的透射比的波長(zhǎng)特性；圖58示出第九實(shí)施例的第一修改實(shí)例的減光薄膜20、40的中心區(qū)的透射比的波長(zhǎng)特性；圖59示出第九實(shí)施例的第一修改實(shí)例的減光薄膜20的平面基片11側(cè)的反射的角度特性(中心區(qū)特性)；圖60是用于說(shuō)明全息光學(xué)薄膜的制造的第一次曝光的視圖；圖61是用于說(shuō)明全息光學(xué)薄膜的制造的第二次曝光的視圖；圖62是第十實(shí)施例的眼鏡顯示的一個(gè)實(shí)例；圖63是該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的詳64是示出具有1.50折射率和1mm厚度的玻璃基片的消光系數(shù)k和透射比之間的關(guān)系的圖表；圖65示出第一光學(xué)薄膜60的平面基片11側(cè)的反射比的波長(zhǎng)特性；圖66示出第一光學(xué)薄膜60的第二平面基片70側(cè)的反射比的角度特性。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例

以下將參考圖1、圖2、圖3和圖4描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。
這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的圖像顯示單元)的實(shí)施例。
首先，描述該眼鏡顯示器的結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，該眼鏡顯示器包括圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1、圖像輸入單元2、電纜3等。該圖像顯示光學(xué)單元1和圖像輸入單元2由類(lèi)似于眼鏡框架的支撐件4支撐，并且被戴在觀察者的頭上(該支撐件4包括邊撐4a、支圈4b、橋接件4c等)。
該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1具有類(lèi)似于眼鏡鏡片的外觀并且其周邊被該支圈4b支撐。
該圖像輸入單元2由邊撐4a支撐。圖像輸入單元2經(jīng)由電纜3從外部裝置供給圖像信號(hào)和電源。
當(dāng)眼鏡顯示器被戴上時(shí)，圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1設(shè)置在觀察者的一只眼睛的前面(以下，假定是右眼并稱之為“觀察眼睛”)。以下將根據(jù)觀察者和該觀察眼睛的位置描述被觀察者戴上的眼鏡顯示器。
如圖2所示，該圖像輸入單元2具有基于經(jīng)由電纜3供給的圖像信號(hào)顯示圖像的液晶顯示元件21(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的圖像顯示元件)；和其焦點(diǎn)在該液晶顯示元件21附近的物鏡22。
該圖像輸入單元2發(fā)射圖像傳輸光通量L1(可見(jiàn)光)，該光通量從物鏡22出射到該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的觀察者一側(cè)的表面的右端部分。
該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1包括平面基片13、平面基片11和平面基片12，其從觀察者一側(cè)的次序以緊密接觸的方式重疊。
平面基片13、平面基片11和平面基片12，每個(gè)由具有至少透射可見(jiàn)光性質(zhì)的材料(例如光學(xué)玻璃)制造。
其中，該平面基片11是反復(fù)地引起圖像傳輸光通量L1的內(nèi)部反射的平面平行板，該光通量從圖像輸入單元2進(jìn)入外側(cè)表面11-1上和觀察者一側(cè)的表面11-2(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的平面基片)。
該平面基片12設(shè)置在平面基片11的外側(cè)上，起觀察眼睛的屈光度校正作用。該平面基片12是其外側(cè)表面12-1是平表面二觀察者側(cè)表面12-2是曲面的透鏡。
設(shè)置在該平面基片11的觀察者側(cè)上的該平面基片13也起觀察眼睛的屈光度校正作用。該平面基片13是其外側(cè)表面13-1是平面而觀察者一側(cè)的表面13-2是曲面的透鏡。
此外，在表面13-2，該圖像傳輸光通量L1首先通過(guò)的區(qū)域是平面，不具有用于圖像傳輸光通量L1的光學(xué)能力。
而且，在該平面基片11內(nèi)側(cè)，圖像傳輸光通量L1首先入射在其上的區(qū)域，形成有導(dǎo)向反射鏡11a，其將該圖像傳輸光通量L1的角度改變成使它在該平面基片11中能夠被內(nèi)表面反射的角度。
而且，在該平面基片11中，在面向該觀察眼睛的瞳孔的區(qū)域設(shè)置有半反射鏡11b(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的合成器)，其沿著該瞳孔的方向反射已經(jīng)被內(nèi)表面反射的該圖像傳輸光通量。
不用該半反射鏡11b，也可以用具有沿著預(yù)定的方向偏振匹配預(yù)定衍射條件的光的性質(zhì)的HOE(其表示全息光學(xué)元件)。而且該合成器可以具有光學(xué)功能。
在這里，在平面基片12和平面基片11之間，替代薄膜12a設(shè)置成與該兩者緊密接觸。而且，在平面基片13和平面基片11之間，替代薄膜13a設(shè)置成與該兩者緊密接觸(該替代薄膜12a、13a對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的光學(xué)功能單元)。
替代薄膜12a、13a，每個(gè)具有反射以大約60°入射角入射在其上的可見(jiàn)光，并且透射以大約0°的入射角入射在其上的可見(jiàn)光的性質(zhì)。
以下，將根據(jù)該圖像傳輸光通量L1的情況描述該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的相應(yīng)表面的詳細(xì)設(shè)置情況。
如圖2所示，由于從該圖像輸入單元2的液晶顯示元件21的顯示屏發(fā)射的圖像傳輸光通量L1(僅示出觀察中心角的圖像傳輸光通量)經(jīng)由物鏡22以大約0°的入射角進(jìn)入該平面基片13，該圖像傳輸光通量L1通過(guò)替代薄膜13a入射在平面基片11上。
進(jìn)入平面基片11的圖像傳輸光通量L1以預(yù)定的入射角入射在導(dǎo)向反射鏡11a并被其反射。被反射的圖像傳輸光通量L1以大約60°入射角θ入射在該替代薄膜13a上，因此在替代薄膜13a上被反射以朝著替代薄膜12a引導(dǎo)。該被圖像傳輸光通量L1還以入射角θ入射在替代薄膜12a上，因此在該替代薄膜12a上也被反射。
因此，圖像傳輸光通量L1沿著觀察者左側(cè)的方向朝著更加遠(yuǎn)離該圖像輸入單元2的地方傳播，同時(shí)在替代薄膜12a、13a上交替地反復(fù)反射。
其后，該圖像傳輸光通量L1入射在半反射鏡11b上以沿著觀察眼睛的瞳孔的方向反射。
被反射的圖像傳輸光通量L1以大約0°的入射角入射在替代薄膜13a上并且因此通過(guò)該替代薄膜13a以經(jīng)由平面基片13入射到觀察眼睛的瞳孔上。
來(lái)自外部視場(chǎng)(遠(yuǎn)點(diǎn))的外部光通量L2經(jīng)由平面基片12以大約0°的入射角入射在替代薄膜12a上，并且因此通過(guò)該替代薄膜12a以經(jīng)由平面基片11以大約0°的入射角入射在替代薄膜13a上。該外部光通量L2通過(guò)該替代薄膜13a以經(jīng)由平面基片13入射在觀察眼睛的瞳孔上。
在這里，平面基片12的外側(cè)表面12-1的形狀和平面基片13的觀察者一側(cè)的表面13-2的形狀設(shè)置成以便進(jìn)行觀察眼睛的屈光度校正。
此外，對(duì)于外部視場(chǎng)的觀察眼睛的屈光度校正通過(guò)設(shè)置在外部光通量L2的光路中的表面12-1的形狀和表面13-2的形狀的組合實(shí)現(xiàn)。對(duì)于圖像的觀察眼睛的屈光度校正通過(guò)設(shè)置在圖像傳輸光通量L1的光路中的表面13-2的形狀實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于圖像的觀察眼睛的屈光度校正，同時(shí)調(diào)節(jié)沿著光軸方向物鏡22的位置和沿著光軸方向液晶顯示元件21的位置。
在上面描述的眼鏡顯示器中，設(shè)置在從液晶顯示元件21到光瞳的光路中的元件對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的合成器光學(xué)系統(tǒng)。
下面，將詳細(xì)描述替代薄膜12a、13a。
(1)關(guān)于平面基片11中的內(nèi)部全反射一般而言，當(dāng)入射角超過(guò)由下面表達(dá)式(1)表示的臨界角θC時(shí)，在設(shè)置于介質(zhì)中的平面基片11中發(fā)生內(nèi)部全反射，θC＝arc sin[nm/ng]……(1)其中nm是介質(zhì)的折射率，而ng是平面基片11的折射率。這個(gè)表達(dá)式(1)表明，為了適用于θC的存在，必需使nm＜ng。
因此，直接通過(guò)在平面基片11的表面上的平面基片12、13將使介質(zhì)的折射率太高，其不允許θC的存在，使得內(nèi)部反射功能被破壞。
另一方面，如果間隙設(shè)置在平面基片11的表面上，介質(zhì)(空氣)的低折射率(nm＝1.0)使它能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部反射功能，因?yàn)楫?dāng)平面基片11的材料為一般的光學(xué)玻璃BK7(ng＝1.56)時(shí)，表達(dá)式(1)給出大約40°的臨界角θC。
此外，當(dāng)利用空氣間隙時(shí)，平面基片11的反射比的入射角特性示于圖3。
(2)關(guān)于絕緣性光學(xué)多層薄膜在絕緣性光學(xué)多層薄膜的理論中發(fā)現(xiàn)下述關(guān)系。
下面將討論由絕緣性光學(xué)多層薄膜制造的對(duì)稱薄膜的薄膜結(jié)構(gòu)(在下面描述)，該絕緣性光學(xué)多層薄膜夾在由光學(xué)玻璃制成的兩個(gè)平面基片之間。在這里，對(duì)稱薄膜是指這樣的薄膜結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中各種層是中心對(duì)稱地重疊在一起。作為一個(gè)單元的層組放在括號(hào)內(nèi)，并且其結(jié)構(gòu)示于該括號(hào)內(nèi)(該層組的應(yīng)用于下面描述)。
平面基片/(0.125L0.25H0.125L)k/平面基片，或平面基片/(0.125H0.25L0.125H)k/平面基片在每個(gè)層組中，H表示高折射率層，L表示低折射率層，每個(gè)層組的右上標(biāo)k表示每個(gè)層組中的疊層數(shù)目，每個(gè)層組前書(shū)寫(xiě)的數(shù)字表示在每層上用于入射在每層上的光的中心波長(zhǎng)的光學(xué)層的厚度(其應(yīng)用于下面描述)。
業(yè)已知道，對(duì)稱的薄膜能夠處理為具有虛擬折射率的等效的單一薄膜(等效薄膜)，并且對(duì)稱薄膜和這種薄膜的等效折射率(等效折射率)的理論詳細(xì)描述在HA.Macleod等人撰寫(xiě)的″Thin-Film opticalFilters 3rdEdition″一文中，因此其詳細(xì)描述在這里被省去。
在這種薄膜結(jié)構(gòu)中，如果用于豎直入射光的等效薄膜的等效折射率設(shè)置成與平面基片11的折射率相同，該等效薄膜不引起豎直入射光的界面反射，因此對(duì)于這種光的具有100％透射比，但是引起以大入射角的入射光的界面反射，因此增大對(duì)這種光的反射。其理由是因?yàn)殡娊橘|(zhì)的視在折射率N通常根據(jù)電介質(zhì)中的光的傳播角度θ發(fā)生變化。
N＝ncosθ(s-偏振光)N＝n/cosθ(p-偏振光)注意，n是該電介質(zhì)的折射率。此外，根據(jù)入射角的增加，對(duì)于s-偏振光來(lái)說(shuō)，反射比的增加量特別明顯。
(3)關(guān)于替代薄膜12a，13a的結(jié)構(gòu)不損害在(1)中提到的平面基片11的內(nèi)部反射和平面基片11的透視特性(等于外部可見(jiàn)性)對(duì)于替代薄膜12a，13a來(lái)說(shuō)是必需的。也就是說(shuō)，它們需要具有反射圖像傳輸光通量L1的性質(zhì)和透射外部光通量L2的性質(zhì)。
因此，替代薄膜12a，13a構(gòu)造成以便具有以高反射比(優(yōu)選全反射)反射以臨界角或以大于臨界角的角度入射在其上的光的性質(zhì)，該臨界角由該平面基片11和空氣之間的折射率之差來(lái)確定。
在這個(gè)實(shí)施例中，替代薄膜12a，13a的的性質(zhì)設(shè)置成“反射以大約60°入射角入射在其上的可見(jiàn)光并透射以大約0°入射角入射在其上的可見(jiàn)光的性質(zhì)”。這種性質(zhì)可以通過(guò)在(2)中描述的絕緣性光學(xué)多層薄膜獲得。
因此，在這個(gè)實(shí)施例中，絕緣性光學(xué)多層薄膜被用作替代薄膜12a、13a。
構(gòu)造替代薄膜12a、13a的方法如下。
替代薄膜12a、13a的結(jié)構(gòu)(單元層組的結(jié)構(gòu)、重疊的數(shù)目、每層的厚度、每層的折射率、每層的材料等)根據(jù)光的呈現(xiàn)高反射性的入射角(這里為60°)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)優(yōu)化平面基片11的折射率。替代薄膜12a、13a的基本結(jié)構(gòu)是在(2)中描述的對(duì)稱薄膜。
然而，即便當(dāng)在(2)中描述的理論被簡(jiǎn)化應(yīng)用，得到的解和存在于薄膜材料的折射率也不相互匹配，因此，在構(gòu)造中采用下面措施的全部或部分。
第一個(gè)措施是在平面基片11一側(cè)上插入若干層(匹配層)，其目的是實(shí)現(xiàn)與平面基片11的匹配第二個(gè)措施是吸收材料中的折射率分布并且在優(yōu)化時(shí)對(duì)該材料的反射/透射的光譜特性/角度特性進(jìn)行微調(diào)。
第三個(gè)措施是根據(jù)需要破壞對(duì)稱(允許非對(duì)稱)。
第四個(gè)措施是通過(guò)計(jì)算機(jī)利用層厚的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)綜合。
第五個(gè)措施是構(gòu)造薄膜以便具有僅對(duì)于s-偏振光(因?yàn)榻^緣性光學(xué)多層薄膜具有根據(jù)入射角的增加而增加其反射比的量的性質(zhì)，這種性質(zhì)對(duì)于s-偏振光特別明顯)的所希望的特性。
第六個(gè)措施是構(gòu)造該薄膜以便具有僅對(duì)于預(yù)定波長(zhǎng)的所希望的特性。
此外，當(dāng)圖2所示的液晶顯示元件21的光源是s-偏振光源時(shí)第五個(gè)措施是有效的。如果其偏振方向通過(guò)相位板等是旋轉(zhuǎn)的，第五個(gè)措施在p-偏振光源情況下也可以使其有效。限制偏振方向是有利的，因?yàn)闃?gòu)造的自由度因此而增強(qiáng)。
當(dāng)圖2所示的液晶顯示元件21的光源發(fā)射具有一定波長(zhǎng)的光時(shí)，第六個(gè)措施是有效的。限制波長(zhǎng)是有利的，因?yàn)闃?gòu)造的自由度因此而增強(qiáng)。
下面將描述眼鏡顯示器的效果。
在該眼鏡顯示器中，替代薄膜12a、13a形成在平面基片11的外側(cè)和觀察者一側(cè)上。
替代薄膜12a、13a的性質(zhì)設(shè)置成以便它們反射以大約60°的入射角入射在其上的可見(jiàn)光并透射以大約0°的入射角入射在其上的可見(jiàn)光。
被這些替代薄膜12a、13a夾在中間的平面基片11能引起圖像傳輸光通量L1的內(nèi)部反射并且能夠透射來(lái)自外部視場(chǎng)(遠(yuǎn)點(diǎn))的外部光通量L2。
因此，即便粘貼與平面基片11具有同樣折射率的平面基片12、13，也不損害平面基片11的內(nèi)部反射功能和透視特性。
結(jié)果，利用僅粘貼該基片12、13的簡(jiǎn)單方法，該眼鏡顯示器能夠具有屈光度校正。
此外，利用用于平面基片12、13的光吸收材料能夠使眼鏡顯示器具有太陽(yáng)鏡的功能。在只有太陽(yáng)鏡的功能是必需的并且不需要屈光度校正的情況下，該平面基片12、13可以是光吸收的平面行平板。
(其他)在這個(gè)實(shí)施例中，圖像傳輸光通量L1是可見(jiàn)光，并且平面基片11和替代薄膜12a、13a的性質(zhì)設(shè)置成內(nèi)表面反射可見(jiàn)光的性質(zhì)，但是應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)液晶顯示元件21的光源具有發(fā)射光譜時(shí)，該性質(zhì)可以設(shè)置成以便內(nèi)表面反射至少其具有峰值波長(zhǎng)的光。
而且，在這個(gè)實(shí)施例的眼鏡顯示器中，屈光度校正通過(guò)兩個(gè)平面基片(平面基片11、12)和兩個(gè)替代薄膜(替代薄膜12a、13a)實(shí)現(xiàn)，但是屈光度校正可以通過(guò)一個(gè)平面基片和一個(gè)替代薄膜實(shí)現(xiàn)。
還有，在這個(gè)實(shí)施例中，絕緣性光學(xué)多層薄膜用作該替代薄膜12a、13a，但是可以用HOE。利用絕緣性光學(xué)多層薄膜的替代薄膜12a、13a，的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況將在后面描述的實(shí)例中描述，在這里，下面將描述制造HOE的方法。
圖4示出用于制造HOE的光學(xué)系統(tǒng)。這種光學(xué)系統(tǒng)制造以高反射比反射以入射角θ入射在其上的圖像傳輸光通量L1的HOE。
從激光光源31發(fā)射的具有波長(zhǎng)λ的激光光束被分束管32分成兩個(gè)光束。該兩個(gè)分離的激光光束被兩個(gè)光束擴(kuò)展器33分別擴(kuò)展，并且其后分別經(jīng)由兩個(gè)輔助棱鏡34入射在全息光敏材料35上。因此光敏材料35被曝光。在這里，激光光束在全息材料上的入射角設(shè)置為θ。該光敏材料35被研制出來(lái)以完成HOE。
該完成的HOE具有這樣的性質(zhì)引起以預(yù)定角度θ入射在其上的具有預(yù)定波長(zhǎng)λ的光通量的衍射/反射，并且完全透射以大約0°的入射角入射在其上的光。
此外，替代薄膜12a、13a表現(xiàn)出反射性質(zhì)所對(duì)應(yīng)的光的入射角和波長(zhǎng)是不同的，因此當(dāng)激光光束的角度θ和波長(zhǎng)根據(jù)需要變化時(shí)，該光敏材料35被多次曝光。
而且，利用樹(shù)脂基材料(樹(shù)脂片)作為光敏材料35能夠低成本制造具有大面積的的HOE。而且，如果然該HOE是樹(shù)脂片，通過(guò)粘貼該HOE能夠使該HOE與該眼鏡顯示器的平面基片11緊密接觸，依據(jù)減少成本和批量生產(chǎn)該HOE具有很高的實(shí)用價(jià)值。
或者，由金屬薄膜、半導(dǎo)體薄膜等制造的多層光學(xué)薄膜可以用作這個(gè)實(shí)施例的替代薄膜12a、13a的每一種。但是，絕緣性光學(xué)多層薄膜是更加優(yōu)選的，因?yàn)樗冗@種多層光學(xué)薄膜吸收較少的光。
優(yōu)選地，上面描述的光學(xué)功能單元(絕緣性光學(xué)多層薄膜、HOE以及其他多層光學(xué)薄膜)根據(jù)眼鏡顯示的規(guī)格和成本被選擇性地用作替代薄膜12a、13a。
第一實(shí)例下面將描述由絕緣性光學(xué)多層薄膜制成的替代薄膜12a、13a的第一實(shí)例。
當(dāng)液晶顯示元件21的光源是偏振光源時(shí)，這個(gè)實(shí)例是一個(gè)有效的實(shí)例。這個(gè)實(shí)例的基本結(jié)構(gòu)如下，例如平面基片/(0.125L0.25H0.125L)k/平面基片該平面基片的折射率是1.74，高折射率層H的設(shè)置率是2.20，低折射率層L的折射率是1.48。
由SCHOTT制造的N-LAF35用作平面基片，TiO2、Ta2O5和Nb2O5其中之一用于在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成高折射率層H，而SiO2用于形成低折射率層L。
此外，具有這種基本結(jié)構(gòu)的絕緣性光學(xué)多層薄膜通常叫做“短波長(zhǎng)透射濾光器”。對(duì)于其波長(zhǎng)比預(yù)定波長(zhǎng)短的光它具有表現(xiàn)出高透射比的特性，而對(duì)于其波長(zhǎng)比預(yù)定波長(zhǎng)長(zhǎng)的光它表現(xiàn)出高反射比。
一般的絕緣性光學(xué)多層薄膜的另一種特性是，當(dāng)光傾斜地入射在其上時(shí)其光譜特性根據(jù)入射角移動(dòng)到短波長(zhǎng)一側(cè)。
通過(guò)組合這兩種特性。豎直入射光的透射波段預(yù)先變成與整個(gè)可見(jiàn)光譜(400～700納米)相匹配，并且基本結(jié)構(gòu)被優(yōu)化以便當(dāng)入射角達(dá)到平面基片11的臨界角θC周?chē)鷷r(shí)，長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)反射波段匹配整個(gè)可見(jiàn)光譜(400～700納米)。
平面基片/(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.15L0.28H0.125L)/平面基片該平面基片的折射率是1.56，高折射率層H的折射率是2.30，低折射率層L的折射率是1.48，中心波長(zhǎng)λ是850納米。
由SCHOTT制造的N-BAK4用作平面基片，并且高折射率層H由TiO2、Ta2O5和Nb2O5其中之一在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成。
在這個(gè)實(shí)例中，圖5、圖6和圖7分別示出對(duì)于豎直入射光的反射比的角度特性、反射比的波長(zhǎng)特性，以及對(duì)于60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性。在下面描述的附圖中，Rs是s-偏振光的特性，Rp是p-偏振光的特性，而Ra是s-偏振光和p-偏振光的平均特性。
如圖5所示，當(dāng)限制s-偏振光的特性時(shí)，這個(gè)實(shí)例的反射比的角度特性很好地匹配玻璃基片(見(jiàn)圖3)的反射比的角度特性。而且，如圖6所示，這個(gè)實(shí)例對(duì)于豎直入射的可見(jiàn)光具有高透射比。還有，如圖7所示，在基本上整個(gè)可見(jiàn)光光譜中對(duì)于60°的入射光這個(gè)實(shí)例具有基本上100％的反射比。
在這個(gè)實(shí)例中，例如，匹配層用來(lái)減少透射波段(反射比低的波長(zhǎng)范圍)的波動(dòng)。
第二實(shí)例下面將描述由絕緣性光學(xué)多層薄膜制成的替代薄膜12a、13a的第二實(shí)例。
當(dāng)液晶顯示元件21的光源是偏振光源時(shí)，這個(gè)實(shí)例是一個(gè)有效的實(shí)例。這個(gè)實(shí)例的基本結(jié)構(gòu)如下，例如平面基片/(0.125H0.25L0.125H)k/平面基片此外，這種結(jié)構(gòu)通常叫做“長(zhǎng)波段透射濾光器”。它具有對(duì)其波長(zhǎng)長(zhǎng)于預(yù)定波長(zhǎng)的光的高透射比的特性，并且對(duì)于其波長(zhǎng)短于該預(yù)定波長(zhǎng)的光表現(xiàn)為高反射比的特性。
作為優(yōu)化的結(jié)果，這個(gè)實(shí)例具有下述結(jié)構(gòu)。
平面基片(0.3H0.27L0.14H)(0.1547H0.2684L0.1547H)3(0.14H0.27L0.3H)/平面基片該平面基片的折射率是1.56，高折射率層H的折射率是2.00，低折射率層L的折射率是1.48，而中心頻率λ是750納米。
ZrO2，HfO2，Sc2O3，Pr2O6，and Y2O3其中之一用于在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成高折射率層H。和前面描述的例子中相同的材料用于平面基片和低折射率層L。
在這個(gè)實(shí)例中，圖8、圖9和圖10示出對(duì)于豎直入射光的反射比的角度特性和反射比的波長(zhǎng)特性，以及對(duì)于60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性。
如圖8、圖9和圖10所示，對(duì)于s-偏振光這個(gè)實(shí)例提供良好的特性，其與第一實(shí)例的特性基本上是同樣的。
在這個(gè)實(shí)例中，長(zhǎng)波段透射濾光器用作基本結(jié)構(gòu)。但是，根據(jù)第一實(shí)施例(2)中所述的理論，短波段透射濾光器是合適的，但是根據(jù)存在于薄膜材料中的折射率的研究，這種利用長(zhǎng)波段透射濾光器的該基本結(jié)構(gòu)經(jīng)常提供設(shè)計(jì)方案。
第三實(shí)例下面描述由絕緣性光學(xué)多層薄膜制造的替代薄膜12a、13a的第三實(shí)例。
當(dāng)液晶顯示元件21的光源不是偏振光源時(shí)這個(gè)實(shí)例是有效實(shí)例。作為優(yōu)化的結(jié)果，這個(gè)實(shí)例具有如下結(jié)構(gòu)平面基片/(0.25H0.125L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.125L0.25H)/平面基片該平面基片的折射率是1.75，高折射率層H的折射率是2.30，低折射率層L的折射率是1.48，而中心頻率λ是1150納米。
SCHOTT制造的N-LAF4用作平面基片。高折射率層H用TiO2，Ta2O5，和Nb2O5其中之一在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成，而SiO2被沉積以形成低折射率層L。
圖11、圖12和圖13示出對(duì)于豎直入射光的反射比的角度特性，反射比的波長(zhǎng)特性，以及對(duì)于60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性。
如圖11、圖12和圖13所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例能夠獲得對(duì)于p-偏振光和s-偏振光兩者的良好特性。
這個(gè)實(shí)例的結(jié)構(gòu)模制成下述的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
平面基片/(匹配層組I)k1·(對(duì)稱層組)k2·(匹配層組II)k3/平面基片每個(gè)層組用反復(fù)重疊的低折射率層L·高折射率層H(LHL或HLH)制造，并且設(shè)置成對(duì)于60°入射光具有增加的反射比。該中心層組有助于反射豎直入射光，因此，為了減少這種反射，在匹配層組I、II中每層的層厚通過(guò)優(yōu)化進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在構(gòu)造中，這個(gè)模型的各個(gè)層組的疊層數(shù)目k1、k2、k3增加/減少，并且在匹配層組I、II中每層的層厚根據(jù)光的入射角和該平面基片的折射率調(diào)節(jié)。
在與一個(gè)平面基片的關(guān)系和與另一個(gè)平面基片的關(guān)系不同的情況下(例如在兩個(gè)平面基片在折射率不同或粘貼層設(shè)置在這個(gè)實(shí)例和平面基片之一之間的情況下)，匹配層組I、II的疊層數(shù)目和每層的層厚可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。
而且，當(dāng)前，通過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化層厚的結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)綜合的方法也被廣泛利用。當(dāng)利用這種方法時(shí)，獲得的涉及方案有時(shí)稍微偏離上述基本結(jié)構(gòu)。但是。這可以被認(rèn)為是具有其被調(diào)節(jié)部件的基本結(jié)構(gòu)(修改的基本結(jié)構(gòu))。
第四實(shí)例下面描述由絕緣性光學(xué)多層薄膜制造的替代薄膜12a、13a的第四實(shí)例。
當(dāng)液晶顯示元件21的光源是偏振光源時(shí)這個(gè)實(shí)例是有效實(shí)例。而且這個(gè)實(shí)例是用計(jì)算機(jī)自動(dòng)綜合該薄膜結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)用于其上的實(shí)例。這個(gè)實(shí)例的基本結(jié)構(gòu)示于圖14。
如圖14所示，總的層數(shù)是19，平面基片的折射率是1.56，高折射率層H的折射率是2.20，低折射率層L的折射率是1.46，中心波長(zhǎng)λ是510納米。
SCHOTT制造的N-BAK4用于作平面基片，并且利用和第一實(shí)例同樣的高折射率層H。SiO2用來(lái)在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成低折射率層L。
圖15、圖16和圖17示出在這個(gè)實(shí)例中對(duì)于豎直入射光的反射比的角度特性，反射比的波長(zhǎng)特性，以及對(duì)于60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性。
如圖15、圖16和圖17所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)例，能夠獲得良好的特性。特別是，如圖16所示，大大地提高對(duì)于豎直入射光的透射比。
第五實(shí)例下面描述由絕緣性光學(xué)多層薄膜制造的替代薄膜12a、13a的第五實(shí)例。
當(dāng)液晶顯示元件21的光源不是偏振光源時(shí)這個(gè)實(shí)例是有效的實(shí)例。而且這個(gè)實(shí)例是用計(jì)算機(jī)自動(dòng)綜合該薄膜結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)用于其上的實(shí)例。這個(gè)實(shí)例的基本結(jié)構(gòu)示于圖18。
如圖18所示，總的層數(shù)是40，平面基片的折射率是1.56，高折射率層H的折射率是2.20，低折射率層L的折射率是1.3845，中心波長(zhǎng)λ是510納米。
SCHOTT制造的N-BAK4用于作平面基片，并且利用和第一實(shí)例同樣的高折射率層H，并且MgF2和AlF2其中之一用來(lái)形成低折射率層L。
圖19、圖20和圖21分別示出在這個(gè)實(shí)例中對(duì)于豎直入射光的反射比的角度特性，反射比的波長(zhǎng)特性，以及對(duì)于60°入射光的反射比的波長(zhǎng)特性。
如圖19、圖20和圖21所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)例，能夠獲得良好的特性。特別是，如圖20和圖21所示，提高了對(duì)于豎直入射光的透射比和60°入射光的反射比。
第二實(shí)施例下面將參考圖22和圖23描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。在這里，將主要描述與第一實(shí)施例的不同之處。
圖22是眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取得示意剖視圖。如圖22所示，該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分包括圖像輸入單元2和平面基片11(該圖像輸入單元2具有液晶顯示元件21和安裝在其中的物鏡22，并且該平面基片11具有導(dǎo)向反射鏡11和安裝在其中的半反射鏡11b)。
在該眼鏡顯示器中，加強(qiáng)的反射薄膜22a分別設(shè)置在該平面基片11的觀察者一側(cè)的表面上和外側(cè)表面上，以與相應(yīng)的表面緊密接觸。
每個(gè)增強(qiáng)的反射薄膜22a至少具有和替代薄膜12a、13a同樣的功能(和空氣隙同樣的功能)。具體說(shuō)，該增強(qiáng)的反射薄膜22a對(duì)將在平面基片11中內(nèi)表面反射的圖形傳輸光通量L1表現(xiàn)出反射性質(zhì)(在這里，以大約60°入射角入射的可見(jiàn)光)，并且對(duì)將通過(guò)該平面基片11的圖像傳輸光通量L1和外部光通量L2(在這里，以大約0°入射角入射的可見(jiàn)光)表現(xiàn)出透射性質(zhì)。
但是，增強(qiáng)的反射薄膜22a能夠反射的可見(jiàn)光的入射角范圍比替代薄膜12a、13a能夠反射可見(jiàn)光的入射角范圍寬，具體說(shuō)，入射角的下限設(shè)置成小于該平面基片11的臨界角θC(≈40°)，例如設(shè)置成35°等。入射角θg的上限，類(lèi)似于每個(gè)替代薄膜12a、13a和作為單個(gè)元件在空氣中的平面基片11，為大約90°。
其上具有增強(qiáng)反射薄膜22a的平面基片11能夠內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1的入射角范圍θg大于該平面基片11作為單一元件存在于空氣中時(shí)的入射角范圍。該增大的入射角范圍θg得到能夠被觀察眼睛觀察的增大的圖像觀察角。
如果增強(qiáng)的反射薄膜22a能夠反射的可見(jiàn)光的入射角范圍的下限設(shè)置得太低，將出現(xiàn)下述問(wèn)題。也就是，有可能部分外部光通量L2不能通過(guò)該增強(qiáng)的反射薄膜22a，導(dǎo)致很差的外部可見(jiàn)性，或者被半反射鏡11b偏振的圖像傳輸光通量L1不能從平面基片11發(fā)射到外部(出射光瞳)，導(dǎo)致衰減。因此，考慮到圖像傳輸光通量L1的觀察角和它內(nèi)反射時(shí)的入射角，能夠被該增強(qiáng)的反射薄膜22a反射的可見(jiàn)光的入射角范圍的下限必需設(shè)置在大約0°～θC之間。
而且，具有這種特性的增強(qiáng)反射薄膜22a由絕緣性光學(xué)多層薄膜、HOE(全息光學(xué)元件)等制造。其中在下面描述的實(shí)例中將詳細(xì)描述利用絕緣性光學(xué)多層薄膜的增強(qiáng)反射薄膜22a的結(jié)構(gòu)。制造HOE的方法和在第一實(shí)施例中描述的制造方法基本相同(見(jiàn)圖4)。
但是，在這種制造方法中，如圖23所示，必需只在入射在光敏材料上的激光光束之一中插入輔助棱鏡32(這是因?yàn)樵谶@個(gè)實(shí)施例中與增強(qiáng)的反射薄膜22a接觸的兩種介質(zhì)之一是空氣)。
而且，在圖23的光學(xué)系統(tǒng)中角度θ(入射在該全息光敏材料35上的激光光束的入射角)的值設(shè)置成落在該增強(qiáng)的反射薄膜22a對(duì)其表現(xiàn)出反射性質(zhì)的光的入射角范圍內(nèi)。
在這里，該增強(qiáng)的反射薄膜22a表現(xiàn)出反射性質(zhì)所對(duì)應(yīng)的光的入射角和波長(zhǎng)是不同的，因此，在該激光光束的角度θ和波長(zhǎng)變化時(shí)該光敏材料35被多次曝光。
而且，利用樹(shù)脂基材料(樹(shù)脂片)作為全息光敏材料35能夠低成本制造具有大面積的HOE。還有，如果HOE是樹(shù)脂片，只通過(guò)粘貼HOE能夠使該HOE與該眼鏡顯示器的平面基片11緊密接觸，根據(jù)降低成本和批量生產(chǎn)其具有很高的實(shí)用價(jià)值。
而且，作為這個(gè)實(shí)施例的增強(qiáng)的反射薄膜22a，可以用由金屬薄膜、半導(dǎo)體薄膜等制造多層光學(xué)薄膜。但是與這樣的多層光學(xué)薄膜相比，絕緣性光學(xué)多層薄膜吸收較少的光，因此是更優(yōu)選的。
希望的是，上面描述的光學(xué)功能單元(絕緣性光學(xué)多層薄膜、HOE、以及其他多層光學(xué)薄膜)根據(jù)眼鏡顯示器的規(guī)格、成本等選擇性地用作增強(qiáng)的反射薄膜22a。
第六實(shí)例下面將描述第六個(gè)實(shí)例。該這個(gè)實(shí)例是絕緣性光學(xué)多層薄膜的實(shí)例，該絕緣性光學(xué)多層薄膜適于作為第二實(shí)施例的眼鏡顯示器的增強(qiáng)的反射薄膜22a。
在這個(gè)實(shí)例中，假定眼鏡顯示器的液晶顯示元件21的光源具有發(fā)射光譜(分別具有紅色、綠色和藍(lán)色峰值)，并且該液晶顯示元件的光源是偏振光源。而且，在這個(gè)實(shí)例中，應(yīng)用用計(jì)算機(jī)自動(dòng)綜合薄膜結(jié)構(gòu)的方法。
這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜的薄膜結(jié)構(gòu)示于圖24。
如圖24所示，層的總數(shù)是51，平面基片11的折射率是1.60，高折射率層H的折射率是2.3，而的折射率層L的折射率是1.46。
SCHOTT制造的N-SK14用作平面基片，TiO2、Ta2O5或Nb2O5用來(lái)在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成高折射率層H，SiO2用來(lái)在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成低折射率層L。
圖25示出這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)以較小入射角(入射角0°～20°)入射的光的反射比的波長(zhǎng)特性。在圖25中，Ra(0°)、Ra(5°)、Ra(10°)、Ra(15°)和Ra(20°)是以0°、5°、10°、15°和20°(每個(gè)是對(duì)入射光的s-偏振部分的反射比和入射光的p-偏振部分的反射比的平均值)入射角的入射光的反射比。
從圖25清楚地看到，如果入射光的入射角在0°-20°在范圍內(nèi)，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光譜中的入射光表現(xiàn)出80％或以上的透射性質(zhì)。
圖26示出示出這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)具有大入射角(入射角35°，40°)的光的反射比的波長(zhǎng)特性。在圖26中，Rs(35°)和Rs(40°)是以35°和40°的入射角入射的光的反射比(每個(gè)是對(duì)入射光的s-偏振部分的反射比)。
正如從圖26清楚地看到的，如果入射光的入射角是40°，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光譜中的s-偏振光表現(xiàn)出基本上100％的反射性質(zhì)。而且，對(duì)于以35°入射角的s-偏振光，它對(duì)可見(jiàn)光譜中紅色、綠色和藍(lán)色(460、520、633納米)的相應(yīng)部分表現(xiàn)出80％或以上的反射性質(zhì)。
圖27示出示出這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)具有相應(yīng)波長(zhǎng)的光的反射比的角度特性。在圖27中，Rs(633納米)和Rs(520納米)和Rs(460納米)分別是對(duì)具有633納米、520納米和460納米的光(紅色、綠色和藍(lán)色)的光的反射比(每個(gè)是對(duì)該入射光的s-偏振部分的反射比)。
如圖27所示，如果它們的入射角為35°或以上，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)可見(jiàn)光譜中的紅色、綠色和藍(lán)色的相應(yīng)部分的光表現(xiàn)出80％或以上的反射性質(zhì)。
如上所述，35°是這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)其表現(xiàn)出反射性質(zhì)的可見(jiàn)光(在這里，是紅色、綠色和藍(lán)色s-偏振光，)的入射角范圍的下限。這個(gè)角度小于在這個(gè)實(shí)例中假定的該平面基底11的臨界角θC，θC＝38.7°。
因此，在利用這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜作為增強(qiáng)的反射薄膜22a的眼鏡顯示器中，在該平面基底11中內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1入射角范圍θg的下限小于該臨界角θC，θC＝38.7°，比35°大3.7°。
結(jié)果，該眼鏡顯示器能夠透射以入射角范圍θg內(nèi)的入射角入射的圖像傳輸光通量L1，θg＝35°-36°，也就是說(shuō)，圖像傳輸光通量L1具有30°觀察角。
而且，如圖25所示，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)于以小入射角(0°～20°)入射的可見(jiàn)光具有高透射性，以便能夠確保眼鏡顯示器的外部可見(jiàn)性，并且從平面基片11入射在出射光瞳上的圖像傳輸光通量L1沒(méi)有衰減。
第三實(shí)施例下面將參考圖28描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。在這里，主要描述與第一實(shí)施例的不同之處。
圖28是眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖。如圖28所示，眼鏡顯示器構(gòu)造成使得在第一實(shí)施例的眼鏡顯示器(見(jiàn)圖2)中，設(shè)置增強(qiáng)的反射薄膜22a，而不是替代薄膜12a、13a。
每個(gè)增強(qiáng)的反射薄膜22a具有和第二實(shí)施例同樣的功能。也就是說(shuō)，該增強(qiáng)的反射薄膜22a對(duì)其表現(xiàn)反射比的可見(jiàn)光的入射角范圍的下限小于平面基片11的臨界角θC。
因此，該眼鏡顯示器類(lèi)似于第一實(shí)施例能夠提供屈光度校正的作用，并且除此之外，類(lèi)似于第二實(shí)施例，能夠提供加大觀察角的作用。
在增強(qiáng)的反射薄膜用HOE制造的情況下，其制造方法與第一實(shí)施例中描述的制造方法(見(jiàn)圖4)相同。
但是在圖4的光學(xué)系統(tǒng)中角度θ(入射在全息光敏材料上的激光光束的入射角)的值設(shè)置成在該增強(qiáng)的反射薄膜22a對(duì)其表現(xiàn)出反射性質(zhì)的光的入射角的范圍內(nèi)。
在這里，該增強(qiáng)的反射薄膜22a表現(xiàn)出反射性質(zhì)所對(duì)應(yīng)的光的入射角和波長(zhǎng)是不同的，因此，在該激光光束角度θ和波長(zhǎng)根據(jù)需要變化時(shí)，該光敏材料進(jìn)行多次曝光。
第七實(shí)例下面將描述第七實(shí)例。這個(gè)實(shí)例是絕緣性光學(xué)多層薄膜的實(shí)例，該絕緣性光學(xué)多層薄膜適于作為第三實(shí)施例的眼鏡顯示器的增強(qiáng)的反射薄膜22a。
在這個(gè)實(shí)例中，假定該眼鏡顯示器的液晶顯示元件21的光源是偏振光源。而且，在這個(gè)實(shí)例中，應(yīng)用用計(jì)算機(jī)自動(dòng)綜合該薄膜結(jié)構(gòu)的方法。
這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜的薄膜結(jié)構(gòu)示于圖29。
如圖29所示，層的總數(shù)是44，平面基片11的折射率是1.56，高折射率層H的折射率是2.3，而的折射率層L的折射率是1.46。
該平面基片和低折射率層與第四實(shí)例是一樣的，并且TiO2、Ta2O5或Nb2O5用來(lái)在調(diào)節(jié)的薄膜沉積條件下形成高折射率層H。
圖30示出這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)以小入射角(入射角0°～20°)入射的光的反射比的波長(zhǎng)特性。在圖30中，Ra(0°)、Ra(10°)和Ra(20°)是以0°、10°和20°(每個(gè)是對(duì)該入射光的s-偏振部分的反射比和該入射光的p-偏振部分的反射比的平均值)入射角入射的光的反射比。
正如從圖30清楚地看到的，如果入射光的入射角在0°～20°的范圍內(nèi)，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光譜中的入射光表現(xiàn)出70％或以上的透射性質(zhì)。
圖31示出這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)具有大入射角(入射角35°～50°)的光的反射比的波長(zhǎng)特性。在圖31中，Rs(35°)、Rs(40°)和Rs(50°)是以35°、40°和50°的入射角入射的入射光的反射比(每個(gè)是對(duì)該入射光的s-偏振部分的反射比)。
如圖31所示，如果入射角是35°～50°這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)基本上整個(gè)可見(jiàn)光譜的光表現(xiàn)出65％或以上的反射性質(zhì)。
圖32示出這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)具有相應(yīng)波長(zhǎng)的光的反射比的角度特性。在圖32中Rs(633納米)和Rs(520納米)和Rs(460納米)分別是對(duì)具有633納米、520納米和460納米(紅色、綠色和藍(lán)色)的光的反射比(每個(gè)是對(duì)入射光的s-偏振部分的反射比)。
如圖32所示，如果其入射角為35°或更大，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)可見(jiàn)光譜中的紅色、綠色和藍(lán)色的各部分的光表現(xiàn)出65％或以上的反射性質(zhì)。
也就是，35°是這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)其表現(xiàn)出反射性質(zhì)的可見(jiàn)光的入射角范圍的下限(這里，具有波長(zhǎng)為663納米、520納米和460納米的s-偏振光)。這個(gè)角度小于在這個(gè)實(shí)例中假定的平面基片11(折射率1.56)的臨界角θC，θC＝39.9°。
因此，在利用這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜作為增強(qiáng)的反射薄膜22a的眼鏡顯示器中，在該平面基片11中內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1的入射角度范圍θg的下限小于39.9°的臨界角θC，為35°，比該臨界角θC小4.9°。
而且，如圖30所示，這個(gè)實(shí)例的絕緣性光學(xué)多層薄膜對(duì)于以小入射角(0°～20°)入射的可見(jiàn)光具有高透射性，以便能夠確保眼鏡顯示器的外部可見(jiàn)性，并且從平面基片11入射在出射光瞳上的圖像傳輸光通量L1沒(méi)有衰減。
第四實(shí)施例下面將參考圖33描述本發(fā)明的第四實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，前述增強(qiáng)的反射薄膜應(yīng)用于具有大出射光瞳的眼鏡顯示。
圖33是該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖。如圖33所示，該眼鏡顯示器具有多個(gè)相互平行的半反射鏡11b，該多個(gè)半反射鏡設(shè)置在圖像傳輸光通量L1在其中被內(nèi)表面反射的平面基片11中。該多個(gè)半反射鏡11b的每個(gè)反射以預(yù)定角度范圍內(nèi)的入射角入射的該圖像傳輸光通量中的光，該光通量在該平面基片11中被被表面反射，并且每個(gè)半反射鏡11b形成在該平面基片11外的出射光瞳。因此，該出射光瞳的尺寸通過(guò)提供該多個(gè)半反射鏡11b被增大。根據(jù)增強(qiáng)觀察眼睛的光瞳的位置的自由度，這種大出射光瞳是有利的。
在這種眼鏡顯示器中，增強(qiáng)的反射薄膜22a分別形成在該平面基片11的觀察者一側(cè)的表面上和外側(cè)表面上，以便與其緊密接觸。如同在上述實(shí)施例中一樣，該增強(qiáng)的反射薄膜22a增大入射角的范圍，使得圖像傳輸光通量能夠在該平面基片11中內(nèi)表面反射。因此，這種眼鏡顯示器的觀察角度被增大。
第五實(shí)施例下面將參考圖34描述本發(fā)明的第五實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，前述增強(qiáng)的反射薄膜應(yīng)用于具有大出射光瞳的眼鏡顯示。
圖34是該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者的水平面截取的示意剖視圖。如圖34所示，在該眼鏡顯示器中，用于形成大出射光瞳的多個(gè)半反射鏡11b設(shè)置在平面基片11的外側(cè)。該多個(gè)半反射鏡設(shè)置在平面基片12中，該平面基片12設(shè)置在外側(cè)或觀察者一側(cè)上(圖4中外側(cè))。而且，該多個(gè)半反射鏡由兩種組成，即相互平行的的多個(gè)半反射鏡11bL和相互平行并且在姿態(tài)上不同于該多個(gè)半反射鏡11bL的多個(gè)半反射鏡11bR。
在平面基片11內(nèi)側(cè)，設(shè)置引導(dǎo)反射鏡11a和返回鏡11C，該導(dǎo)反射鏡11a用于將入射在該平面基片11上的圖像傳輸光通量L1偏振到允許該圖像傳輸光通量L1被內(nèi)表面反射的角度；該返回鏡11C返回已經(jīng)在平面基片11中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1。
在多個(gè)半反射鏡中，半反射鏡11bL的姿態(tài)設(shè)置成使得在向前路徑上圖像傳輸光通量L1被朝著觀察者一側(cè)偏振，而其他的半反射鏡11bR的姿態(tài)設(shè)置成使得在返回路徑上圖像傳輸光通量L1朝著觀察者一側(cè)偏振。因此，半反射鏡11bL、11bR的整個(gè)結(jié)構(gòu)是屋頂形狀的半反射鏡，設(shè)置成相互閉合。
在這種眼鏡顯示器中，增強(qiáng)的反射薄膜設(shè)置在平面基片12和平面基片11之間，并且在該平面基片11的觀察者一側(cè)的表面上，以與其緊密接觸。
其中，在該平面基片11的觀察者一側(cè)上的增強(qiáng)的反射的薄膜22a和上面描述的增強(qiáng)的反射的薄膜是一樣的，并且對(duì)在該平面基片11中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1表現(xiàn)出反射性質(zhì)。
另一方面，在該平面基片11的外側(cè)上的增強(qiáng)的反射薄膜22a′與上面描述的增強(qiáng)反射的薄膜稍有不同，并且對(duì)在該平面基片11中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1表現(xiàn)出半透射性質(zhì)。
具體說(shuō)，增強(qiáng)反射的薄膜22a′對(duì)通過(guò)該平面基片的11的圖像傳輸光通量L1和外部光通量L2(這里，以大約0°入射角入射的可見(jiàn)光)表現(xiàn)出透射性質(zhì)(全部透射)，并且對(duì)在該平面基片11中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1(這里，以大約60°入射角入射的可見(jiàn)光)表現(xiàn)出半透射性質(zhì)。對(duì)其表現(xiàn)出半透射性質(zhì)光的入射角范圍的下限設(shè)置為小于該平面基片11的臨界角θC的值。
由于增強(qiáng)的反射薄膜22a′的半透射性質(zhì)，在平面基片11中往復(fù)的一定比例的圖像傳輸光通量L1向著平面基片12一側(cè)傳播。該傳播的圖像傳輸光通量L1被平面基片12中的多個(gè)半反射鏡11bL、11bR向著觀察者一側(cè)偏振。然后被多個(gè)半反射鏡11bL、11bR偏振的圖像傳輸光通量L1通過(guò)該增強(qiáng)的反射薄膜22a′、平面基片11和增強(qiáng)的反射薄膜22a，以形成大出射光瞳。
而且，類(lèi)似于上述實(shí)施例，上述增強(qiáng)的反射薄膜22a，22a′增大入射角的范圍，使該圖像傳輸光通量L1類(lèi)似于上述實(shí)施例的圖像傳輸光通量L1，能夠被內(nèi)表面反射。因此，該眼鏡顯示器的觀察角也被增大。
在該眼鏡顯示器中，設(shè)置返回反射鏡11C和兩種半反射鏡，但是應(yīng)當(dāng)注意，返回反射鏡11C和半反射鏡11bR可以省去。但是，提供這些反射鏡使出射光瞳中的光強(qiáng)均勻，因此是更加優(yōu)選的。
第六實(shí)施例下面將參考圖35描述本發(fā)明的第六實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，前述增強(qiáng)的反射薄膜應(yīng)用于仍然具有大出射光瞳的眼鏡顯示。
圖35是該實(shí)施例的眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分的分解圖。如圖35所示，與第五實(shí)施例的眼鏡顯示器同樣的原理應(yīng)用于該眼鏡顯示器，并且當(dāng)從觀察者觀察時(shí)，出射光瞳在豎直和水平兩個(gè)方向被擴(kuò)展。而且這種眼鏡顯示器也具有屈光度校正功能。
在圖35中，從自圖像輸入單元2發(fā)射的圖像傳輸光通量L1首先入射在平面基片11′上。該平面基片11′與平面基片12′引導(dǎo)該圖像傳輸光通量L1，并且當(dāng)從觀察者看時(shí)沿豎直方向擴(kuò)展該圖像傳輸光通量L1的直徑。圖像傳輸光通量L1入射在平面基片11上。該平面基片11和平面基片12一起引導(dǎo)圖像傳輸光通量L1以當(dāng)從觀察者看時(shí)沿水平方向擴(kuò)展該圖像傳輸光通量L1的直徑。
而且，平面基片13設(shè)置在該平面基片11的觀察者的一側(cè)，并且該平面基片13的觀察眼睛一側(cè)表面的光學(xué)功能和該平面基片12外側(cè)表面的光學(xué)功能實(shí)現(xiàn)用于外部視場(chǎng)的觀察眼睛的屈光度校正。
與第一實(shí)施例的平面基片11、12同樣的原理用于包括平面基片11′、12′的第一光學(xué)系統(tǒng)和包括平面基片11、12的第二光學(xué)系統(tǒng)。而且，第一光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)表面的設(shè)置方向從第二光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)表面的設(shè)置方向旋轉(zhuǎn)90°具體說(shuō)，在平面基片11′中，附圖標(biāo)記11a′表示導(dǎo)向反射鏡，其將入射在該平面基片11′上的圖像傳輸光通量L1偏振到使該圖像傳輸光通量L1被內(nèi)表面反射的角度，附圖標(biāo)記11c′表示返回反射鏡，其返回已經(jīng)在平面基片11′中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1。在平面基片12′中，附圖標(biāo)記12a′表示設(shè)置成相互閉合的多個(gè)屋頂形狀的半反射鏡(其細(xì)節(jié)參考圖34)。
在平面基片11中，附圖標(biāo)記11a表示導(dǎo)向反射鏡，其將入射在該平面基片11上的圖像傳輸光通量L1偏振到使該圖像傳輸光通量L1被內(nèi)表面反射的角度，附圖標(biāo)記11c表示返回反射鏡，其返回已經(jīng)在平面基片11中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1。在平面基片12中，附圖標(biāo)記12a表示設(shè)置成相互閉合的多個(gè)屋頂形狀的半反射鏡(其細(xì)節(jié)參考圖34)。
在上述眼鏡顯示器中，該增強(qiáng)的反射薄膜設(shè)置在平面基片11′和平面基片12′之間，平面基片11′和平面基片13′之間，平面基片11和平面基片12之間，平面基片11和平面基片13之間。
但是，設(shè)置在平面基片11′和平面基片12′之間的該增強(qiáng)的反射薄膜需要具有使在平面基片11′中被內(nèi)表面反射的一定比例的圖像傳輸光通量L1傳播通過(guò)該平面基片11′到平面基片12′特性。這種特性與第五實(shí)施例的增強(qiáng)的反射薄膜22a′的特性相同。
設(shè)置在平面基片11和平面基片12之間的增強(qiáng)的反射薄膜也需要具有使在平面基片11中被內(nèi)表面反射的一定比例的圖像傳輸光通量L1傳播通過(guò)該平面基片11到平面基片12的特性。這種特性與第五實(shí)施例的增強(qiáng)的反射薄膜22a′的特性相同。
上述增強(qiáng)的反射薄膜增大入射角的范圍，使圖像傳輸光通量L1能夠在平面基片11′被內(nèi)表面反射，并且增大入射角的范圍使圖像傳輸光通量L1能夠在平面基片11被內(nèi)表面反射。而且，增大在平面基片11′的方向并增大在平面基片11的方向，使兩者的方向差為90°。
因此，在這種眼鏡顯示器中，沿豎直方向的觀察角和沿水平方向的觀察角均被增大。
第七實(shí)施例下面參考圖36描述本發(fā)明的第七實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，前述增強(qiáng)的反射薄膜應(yīng)用于其中許多表面用于內(nèi)反射的眼鏡顯示。
圖36(a)是眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分的示意透視圖。圖36(b)是該光學(xué)系統(tǒng)部分沿著水平面(圖36(a)中是觀察者的ZX平面)截取的示意剖視圖。圖36(c)是該光學(xué)系統(tǒng)部分沿著觀察者前面的平面(圖36(a)的YX平面)截取的示意剖視圖。圖36d是用于說(shuō)明該眼鏡顯示器的觀察角度的視圖。
如圖36(a)、(b)和(c)所示，在這種眼鏡顯示器中，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向反射鏡11a和多個(gè)半反射鏡11b的設(shè)置位置和姿態(tài)，平面基片11的總共4個(gè)表面被用于內(nèi)反射。該四個(gè)表面是觀察者一側(cè)的表面、外側(cè)表面和被該兩個(gè)表面夾在其中的兩個(gè)表面。此外，這四個(gè)表面都是平表面。
圖36(d)示出當(dāng)從觀察者觀察時(shí)沿著該眼鏡顯示器的圖像的兩個(gè)方向的觀察角θb-air、θa-air。
這些之外，觀察角θb-airr是由使圖像傳輸光通量L1能在兩個(gè)表面上被內(nèi)表面反射的角度θb-g確定，該兩個(gè)表面是平面基片11的觀察者一側(cè)的表面和外側(cè)表面，如圖36(b)所示。
觀察角θa-air由使圖像傳輸光通量L1能在平面基片11的兩個(gè)表面上被內(nèi)表面反射的角度θa-g確定，如圖36(c)所示。
它們用下述表達(dá)式表示θa-air＝sin-1[ngsin θa-g]θb-air＝sin-1[ngsin θb-g]也就是說(shuō)，當(dāng)圖像傳輸光通量L1能夠在平面基片11中內(nèi)表面反射的角度范圍θa-g、θb-g變大時(shí)，觀察角θa-air、θb-air也變大。
在該眼鏡顯示器中，增強(qiáng)的反射薄膜設(shè)置在該平面基片11的四個(gè)表面上，用于內(nèi)反射。在圖36b、c中，附圖標(biāo)記22a表示增強(qiáng)的反射薄膜。該增強(qiáng)的反射薄膜22a的特性與上述實(shí)施例中的增強(qiáng)的反射薄膜22a的特性是同樣的，并且該增強(qiáng)的反射薄膜22a對(duì)其表現(xiàn)出反射性質(zhì)的可見(jiàn)光的入射角范圍的下限低于該平面基片11的臨界角θC。
因此，使圖像傳輸光通量L1能夠在平面基片11中內(nèi)表面反射的角度范圍θa-g、θb-g(圖36b、c)被增大。結(jié)果，該眼鏡顯示器的觀察角θa-air、θb-air(圖36d)也被增大。
此外，示于圖36(c)的兩個(gè)增強(qiáng)的反射薄膜22a不面向觀察眼睛，因此不需要透射外部光通量。因此，優(yōu)選地，由銀、鋁等制造的金屬薄膜用于這兩個(gè)增強(qiáng)的反射薄膜的每一個(gè)，而不是前面所說(shuō)的絕緣性光學(xué)多層薄膜或HOE。金屬薄膜的使用能夠使觀察角θa-air大于觀察角θb-air。
因此，如果液晶顯示元件21的縱橫比不是1∶1，該液晶顯示元件21優(yōu)選設(shè)置成是較長(zhǎng)一側(cè)的觀察角對(duì)應(yīng)于觀察角θa-air。
此外，該眼鏡顯示器的平面基片11是具有矩形截面的柱形的基片，但是，也可以使用具有不同形狀截面的柱形基片，例如具有三角形截面的柱形基片，具有平行四邊形截面的柱形基片，具有五邊形截面的柱形基片。
第八實(shí)施例下面參根據(jù)圖37、圖38、圖39、圖40、圖41和圖42描述本發(fā)明的第八實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。這里主要描述與第一實(shí)施例的不同之處。
圖37是該眼鏡顯示器的外觀圖。圖37中的座標(biāo)系是右手定則的XYZ笛卡兒座標(biāo)系，其中，如果從頭上戴眼鏡的觀察者看，X方向指向下，Y方向指向右。在下面的描述中，XYZ座標(biāo)系表示的方向或由從觀察者看由左右上下表示的方向?qū)⒏鶕?jù)需要而使用。
如圖37所示，眼鏡顯示器的圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1具有減少?gòu)耐獠恳晥?chǎng)向觀察眼睛(觀察者的右眼)引導(dǎo)的外部光通量的減少功能。
而且，為了平衡從外部視場(chǎng)向觀察眼睛引導(dǎo)的外部光通量的光強(qiáng)和從外部視場(chǎng)向非觀察眼睛(觀察者的左眼)引導(dǎo)的外部光通量的光強(qiáng)，并且為了平衡眼鏡顯示器的左、右外觀，非觀察眼睛一側(cè)的前面也具有類(lèi)似于圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的光減少功能，并且具有和圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1同樣外觀的平面基片5附著于非觀察眼睛的前面。這不應(yīng)用于不需要平衡外部光通量和不需要平衡外觀的情況。
圖38是眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的詳圖和沿著平行于YZ平面的平面截取的該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部的分示意剖視圖。
在圖38中，附圖標(biāo)記20a表示包括LED光源、反射鏡等的照明光學(xué)系統(tǒng)，該照明光學(xué)系統(tǒng)在第一實(shí)施例中沒(méi)有示出。
如圖38所示，圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1包括對(duì)至少可見(jiàn)光具有透射性質(zhì)的平面基片11。在平面基片11的預(yù)定位置，類(lèi)似于第一實(shí)施例的導(dǎo)向反射鏡11a和半反射鏡11b設(shè)置成預(yù)定姿態(tài)。如同在第一實(shí)施例中一樣，半反射鏡11b的可能的另一種方案是偏振光學(xué)薄膜，例如透射包括可見(jiàn)光的外部光通量的偏振光束分離器或全息光學(xué)薄膜。
在平面基片11的外側(cè)表面1b上，形成以預(yù)定減少比例減少外部光通量L2的減光薄膜20。該減光薄膜20的功能是以預(yù)定比例減少外部圖像的亮度。
下面將描述減光薄膜20的具體例子。
作為一般的減光薄膜的材料，所用的是金屬元件，例如鋁(Al)、鉻(Cr)、鎢(W)或銠(Ro)，或鉻鎳鐵合金等。
但是，這些材料具有光吸收性質(zhì)(吸光度)，因此，如果不考慮在平面基片11上提供減光薄膜20，那末在平面基片11中的內(nèi)表面反射的一定量的圖像傳輸光通量L1將被該減光薄膜20吸收。也就是，圖像傳輸光通量L1的光路的光強(qiáng)將受到極大損失。
因此，為了防止光強(qiáng)的衰減，由銀(Ag)薄膜和電介質(zhì)薄膜的重疊構(gòu)成的兩層薄膜用作這個(gè)實(shí)施例中的減光薄膜20。減光薄膜的基本結(jié)構(gòu)如下平面基片/Ag/0.25L/空氣，其中Ag銀(銀層)，L低折射率電介質(zhì)(L層)，并且L層左側(cè)的數(shù)字值L層的層厚(所用波長(zhǎng)范圍的中心波長(zhǎng))。
在這種基本結(jié)構(gòu)中，L層用來(lái)保護(hù)受空氣侵蝕的銀層表面并且提高對(duì)以大入射角入射的光的反射比。
減光薄膜20的詳細(xì)情況(規(guī)格)如下設(shè)置透射比30％(對(duì)于0度入射角)，中心波長(zhǎng)λC500納米，平面基片的折射率1.56，銀層的層厚30納米，以及L層的折射率1.46。
此外，作為單一元件，銀層的光學(xué)常數(shù)示于圖39和圖40。圖39示出作為單一元件的銀層的折射率的波長(zhǎng)特性，而圖40示出作為單一元件的銀層的消光系數(shù)的波長(zhǎng)特性。
減光薄膜20的平面基片11一側(cè)的反射比和透射比的波長(zhǎng)特性(入射角0°，45°)示于圖41。而且，減光薄膜20的平面基片11一側(cè)的反射比和透射比的角度特性(波長(zhǎng)550納米)示于圖42。
在圖41和圖42中，“R”表示反射比，而“T”表示透射比。反射比或透射比的下標(biāo)“p”表示對(duì)p-偏振部分的特性，反射比或透射比的下標(biāo)“s”表示對(duì)s-偏振部分的特性(這也適用于其他附圖)。
正如從圖41和圖42清楚地所見(jiàn)，該減光薄膜20對(duì)于以40°或更大的入射角入射的s-偏振部分的可見(jiàn)光表現(xiàn)出基本上100％的反射比。而且，該減光薄膜20對(duì)于以0°入射角入射的可見(jiàn)光表現(xiàn)出約30％的透射比。
因此，減光薄膜20減少圖像傳輸光通量L1的光路的光強(qiáng)的衰減并以約70％的減少比例只減少可見(jiàn)光譜中的外部光通量L2。
此時(shí)，保持觀察眼睛觀察的圖像(顯示圖像)的亮度，而外部圖像的亮度減少約30％。因此，當(dāng)外部視場(chǎng)是明亮的時(shí)，顯示圖像的可見(jiàn)性肯定被增強(qiáng)。因此根據(jù)減光薄膜20的反射比-透射比特性按照入射角選擇適當(dāng)類(lèi)型的薄膜使得能夠以最小的結(jié)構(gòu)獲得所希望的效果。
雖然這個(gè)實(shí)施例的減光薄膜20的基本結(jié)構(gòu)是銀層和電介質(zhì)層的兩層結(jié)構(gòu)，也可以用其他金屬層代替銀層，或者也可以采用兩個(gè)電介質(zhì)層夾著一個(gè)金屬層的三層結(jié)構(gòu)。但是銀層和電介質(zhì)層的兩層結(jié)構(gòu)能夠比較容易提供良好的特性(僅減少外部光通量L2而不增加圖像傳輸光通量LI的衰減的特性)。
第八實(shí)施例的第一修改實(shí)例下面根據(jù)圖43和圖44描述第八實(shí)施例的第一修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例是減光薄膜20的修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20僅由電介質(zhì)制成。在這個(gè)減光薄膜20中，每層的厚度設(shè)置成以便在各層的界面上的反射光的相位具有所想要的關(guān)系，并且根據(jù)反射光的相位關(guān)系，能夠設(shè)置各種特性。因此，設(shè)置透射比的自由度比第八實(shí)施例的減光薄膜20大。這種減光薄膜20具有如下三種基本結(jié)構(gòu)平面基片/(0.25H0.25L)P/空氣平面基片/(0.125H0.25L0.125H)P/空氣，和平面基片/(0.125L0.25H0.125L)P/空氣，其中H高折射率電介質(zhì)(H層)L低折射率電介質(zhì)(L層)每層左側(cè)的數(shù)值每層的光學(xué)層的厚度(所用波長(zhǎng)范圍的中心波長(zhǎng))，以及p被括號(hào)括起的層組的疊層數(shù)目。
根據(jù)這些基本結(jié)構(gòu)，能夠減少對(duì)一定光的透射比并且提高對(duì)一定光的反射比。
但是，為了確保減少外部圖像的亮度，必需構(gòu)造減光薄膜20，以設(shè)置中心波長(zhǎng)不同的多種循環(huán)層組，以便增大能夠減少其透射比的光的波長(zhǎng)范圍，直到整個(gè)可見(jiàn)光譜。
而且，為了減少取決于顏色的透射比的變化，必需通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所有層的層厚進(jìn)行優(yōu)化。
優(yōu)化之后的減光薄膜的詳細(xì)情況(規(guī)格)如下設(shè)置透射比5％中心波長(zhǎng)λC480納米平面基片的折射率1.583H層的折射率2.3L層的折射率1.46，以及層的總數(shù)22。
該減光薄膜20的結(jié)構(gòu)示于圖43。
平面基片用SCHOTT制造的N-BAF3，H層和L層用與第六實(shí)施例相同的H層和L層。
該減光薄膜20的透射比的波長(zhǎng)特性示于圖44。
如圖44所示，該減光薄膜20對(duì)可見(jiàn)光表現(xiàn)出大約5％的透射比。因此，根據(jù)這種修改實(shí)例，外部圖像的亮度減少到約5％。
第八實(shí)施例的第二修改實(shí)例以下根據(jù)圖45和圖46描述第八實(shí)施例的第二修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例是減光薄膜20的修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20的設(shè)置透射比是15％。這個(gè)減光薄膜20也僅由電介質(zhì)制造，并且其基本結(jié)構(gòu)與第一修改實(shí)例的基本結(jié)構(gòu)相同。
該減光薄膜20的詳細(xì)情況(規(guī)格)如下設(shè)置透射比15％中心波長(zhǎng)λC480納米平面基片的折射率1.583H層的折射率2.3L層的折射率1.46，以及層的總數(shù)18。
該減光薄膜20的結(jié)構(gòu)示于圖45。而且，使用與這個(gè)實(shí)施例的第一修改實(shí)例相同的材料。
這種減光薄膜20的透射比的波長(zhǎng)特性示于圖46。
正如從圖46所清楚地看到的，該減光薄膜20對(duì)可見(jiàn)光表現(xiàn)出15％的透射比。因此，根據(jù)這個(gè)修改實(shí)例，外部圖像的亮度減少到約15％。
修改實(shí)例的補(bǔ)充鑒于平面基片11的內(nèi)反射條件，在這種條件下討論第一修改實(shí)例和第二修改實(shí)例的減光薄膜20，確保顯示圖像的亮度，也就是說(shuō)，在這種條件下，對(duì)于在該平面基片中被內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1實(shí)現(xiàn)約100％的反射。
首先，假定在平面基片11上不設(shè)置減光薄膜20的狀態(tài)，如圖47(a)所示。
根據(jù)Snell定律提出如下表達(dá)式，其中n0是該平面基片11存在與其中的空氣作為介質(zhì)的空氣的折射率，ng是作為平面基片材料的玻璃的折射率，而θ0、θg是光在該平面基片11和該介質(zhì)上的入射角。
n0sin θ0＝ngsin θg因此，在這種狀態(tài)下該平面基片11的臨界角θC(允許內(nèi)表面反射的光的入射角的最小值)由下述表達(dá)式表示θc＝arc sin(n0/ng)下面，假定在平面基片11上設(shè)置由多層電介質(zhì)薄膜制成的減光薄膜20的狀態(tài)，如圖47(b)所示。如果該多層薄膜的每層不具有吸收性(零吸收性)，根據(jù)Snell定律提出下述表達(dá)式，其中n1、n2……nk是該多層薄膜各層的折射率，而θ1、θ2……θk是光在各層上的入射角。
n0sinθ0＝n1sinθ1＝n2sinθ2……＝nksinθk＝ngsinθg因此，如果該多層薄膜的每層不具有吸收性，那末平面基片11的臨界角θc由沒(méi)有提供減光薄膜20的狀態(tài)的同一個(gè)表達(dá)式表示。
因此，無(wú)吸收性電介質(zhì)用作第一實(shí)例和第二實(shí)例的減光薄膜20。
此外，利用無(wú)吸收性電介質(zhì)的第一修改實(shí)例和第二修改實(shí)例的減光薄膜(平面基片11的內(nèi)反射的反射比)的平面基片11一側(cè)的反射比的角度特性示于圖48。
如圖48所示，該減光薄膜20對(duì)以45°或更大入射角入射的光表現(xiàn)出約100％的反射比。
第八實(shí)施例的第三修改實(shí)例以下根據(jù)圖49、圖50、圖51、圖52和圖53描述第八實(shí)施例的第三修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例是減光薄膜20的修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20具有防紫外和紅外的功能。
這種減光薄膜也僅用電介質(zhì)制造，并且其基本結(jié)構(gòu)與第一修改實(shí)例和第二修改實(shí)例的結(jié)構(gòu)相同。
在這個(gè)修改實(shí)例中，為了提供紫外和紅外防護(hù)功能，吸收性的電介質(zhì)確實(shí)用作H層。利用二氧化鈦(TiO2)作為吸收性電介質(zhì)。
二氧化鈦(TiO2)的光學(xué)常數(shù)示于圖49和圖50。圖49示出二氧化鈦(TiO2)的折射率的波長(zhǎng)特性，而圖50示出示出二氧化鈦(TiO2)的消光系數(shù)的的波長(zhǎng)特性。
該減光薄膜20的詳細(xì)情況(規(guī)格)如下設(shè)置透射比30％中心波長(zhǎng)λC800納米平面基片的折射率1.583L層的折射率1.46，以及層的總數(shù)48。
該減光薄膜20的結(jié)構(gòu)示于圖51。而且，與這個(gè)實(shí)施例的第一修改實(shí)例相同的材料用于該平面基片和L層。
這種減光薄膜20的透射比的波長(zhǎng)特性示于圖52。這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20的平面基片11一側(cè)的反射比特性(該平面基片11的內(nèi)反射的反射比)示于圖53。
如圖53所示，反射比的波長(zhǎng)特性的曲線呈鋸齒形(反射比的谷值)。
另一方面，該眼鏡顯示器的液晶顯示元件21的發(fā)射波長(zhǎng)特性曲線在紅色、綠色和藍(lán)色的相應(yīng)波長(zhǎng)中通常具有峰值。
因此，微調(diào)這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20的結(jié)構(gòu)，以便反射比的波長(zhǎng)特性的曲線的谷值偏離該發(fā)射波長(zhǎng)特性曲線的峰值。
結(jié)果，包括在該圖像傳輸光通量L2中的每個(gè)波長(zhǎng)部分在該平面基片11中無(wú)疑以高反射比內(nèi)表面反射。因此確保顯示圖像的亮度。
此外，如圖53中所見(jiàn)，s-偏振部分的曲線和p-偏振部分的曲線谷值發(fā)生的形式不同。具體說(shuō)，在p-偏振部分的曲線中發(fā)生的谷值比較小。
因此，在這種減光薄膜20應(yīng)用于眼鏡顯示器的情況下，通過(guò)將圖像傳輸光通量限制在p-偏振部分，能夠確保將反射比的波長(zhǎng)特性曲線的谷值偏離發(fā)射波長(zhǎng)特性曲線的峰值。
此外，由于液晶顯示元件的原理，該圖像傳輸光通量L1被偏振，因此，通過(guò)優(yōu)化該液晶顯示元件21和平面基片11的位置關(guān)系，以便其偏振方向相對(duì)于該減光薄膜變成p-偏振方向，或者通過(guò)在該液晶顯示元件21的后續(xù)級(jí)(stage)上插入相位板，能夠僅將圖像傳輸光通量L1限制成p-偏振部分。
第九實(shí)施例以下將參考圖54、圖55、圖56和圖57描述本發(fā)明的第九實(shí)施例。
這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。這里，僅描述與第八實(shí)施例的不同之處。
圖54是這種眼鏡顯示器的外觀圖。在圖54中坐標(biāo)系是右手定則XYZ笛卡兒坐標(biāo)系，其中如果從觀察者看，X方向指向下，Y方向指向右。在下面的描述中，用XYZ坐標(biāo)系描述的方向或從觀察者看用上下左右表示的方向?qū)⒏鶕?jù)需要使用。
如圖54所示，這種眼鏡顯示器與第八實(shí)施例的眼鏡顯示器的不同之處在于，在圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1中靠近半反射鏡11b的中心區(qū)域的光減少比例設(shè)置成大于該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的中心區(qū)域外側(cè)的周邊區(qū)域的光減少比例。
而且，為了平衡從外部視場(chǎng)向觀察眼睛(觀察者的右眼)引導(dǎo)的外部光通量的光強(qiáng)和從外部視場(chǎng)向非觀察眼睛(觀察者的左眼)引導(dǎo)的外部光通量的光強(qiáng)，此外，為了平衡眼鏡顯示器的左右外觀，非觀察眼睛一側(cè)的前面具有類(lèi)似于圖像顯示光學(xué)統(tǒng)1減光功能，和平面基片5，該平面基片5具有與該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1同樣的外觀。
圖55是該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分的詳細(xì)情況，并且是該眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著平行于YZ平面的平面截取的示意剖視圖。
如圖55所示，在這個(gè)眼鏡顯示器中的圖像傳輸光通量L1和外部光通量L2的狀態(tài)與第八實(shí)施例(見(jiàn)圖38)是一樣的。
在構(gòu)成圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的平面基片1b的外側(cè)表面上，設(shè)置與第八實(shí)施例或其修改實(shí)例同樣的減光薄膜20。
但是，由多層金屬薄膜或電介質(zhì)薄膜制成的減光薄膜40重疊在該減光薄膜20表面的中心區(qū)。
因此，在圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的中心區(qū)的光減少比例大于該圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的周邊區(qū)的光減少比例。
此外，從觀察者看的中心區(qū)域位置和從觀察者看的半反射鏡11b的位置是基本相同的。而且，從觀察者看的該中心區(qū)域的尺寸稍稍大于從觀察者看的半反射鏡11b的尺寸。
在如上所述的這種眼鏡顯示器中，圖像顯示的背景部分的外部圖像的亮度被特別顯著地減小，以便進(jìn)一步增強(qiáng)該顯示圖像的可見(jiàn)性。
下面，將描述減光薄膜20，40的具體例子。
該減光薄膜20用與第八實(shí)施例的修改實(shí)例同樣的多層電介質(zhì)薄膜制造。減光薄膜40也用與第八實(shí)施例的修改實(shí)例同樣的多層電介質(zhì)薄膜制造。還使用用與第八實(shí)施例的修改實(shí)例同樣的平面基片。
該減光薄膜20的詳細(xì)情況(規(guī)格)如下減光薄膜20的設(shè)置透射比50％減光薄膜40的設(shè)置透射比50％中心波長(zhǎng)λC800納米平面基片的折射率1.583H層的折射率2.3L層的折射率1.46減光薄膜20的總層數(shù)11減光薄膜40的總層數(shù)16減光薄膜20、40的結(jié)構(gòu)示于圖56。
減光薄膜20、40的中心區(qū)的透射比的波長(zhǎng)特性以及減光薄膜20的周邊區(qū)的透射比的波長(zhǎng)特性示于圖57。
如圖57清楚地所示，可見(jiàn)光中心區(qū)的透射比是約25％，可見(jiàn)光的周邊區(qū)的透射比是約50％。
因此，根據(jù)這種眼鏡顯示器，整個(gè)外部圖像圖像的亮度減少到約50％，而該顯示圖像的背景部分的外部圖像減少到約25％。
在這個(gè)實(shí)施例中，減光薄膜20和減光薄膜40相互重疊，但是它們不需要相互重疊。在這種情況下，在中心區(qū)具有開(kāi)口的減光薄膜20設(shè)置在平面基片11上，而減光比例比減光薄膜20高的減光薄膜40設(shè)置在該開(kāi)口中。但是，在這種情況下，在形成減光薄膜20和形成減光薄膜40期間需要掩膜，因此，為了減少制造成本，更加希望減光薄膜20和減光薄膜40相互重疊。
第九實(shí)施例的第一修改實(shí)例下面根據(jù)圖58和圖59描述第九實(shí)施例的第一修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例是減光薄膜20和減光薄膜40的修改實(shí)例。
本修改實(shí)例的減光薄膜40是由金屬薄膜制成的。
這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20的結(jié)構(gòu)和圖45所示的結(jié)構(gòu)是一樣的。作為單個(gè)元件該減光薄膜20具有和圖46所示的同樣特性。
至于減光薄膜40的結(jié)構(gòu)，其包括一個(gè)5mm厚的鉻(Cr)層。同時(shí)，該減光薄膜20、40的中心區(qū)具有圖58所示的透射比的波長(zhǎng)特性。
而且，該減光薄膜20的平面基片11一側(cè)的上的反射比(該平面基片11的內(nèi)反射比)的角度特性(中心區(qū)的特性)示于圖59。
如圖59所示，對(duì)于以40°或更大的入射角入射的上述光的s-偏振部分反射比具有高數(shù)值。但是，對(duì)于這種光的p-偏振部分的反射比很低。因此在這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20、40應(yīng)用于眼鏡顯示器的情況下，圖像傳輸光通量L1被限制在s-偏振部分。
此外，由于液晶顯示元件21的原理，圖像傳輸光通量L1被偏振，因此通過(guò)優(yōu)化該液晶顯示元件21和該平面基片11的位置關(guān)系，使得其偏振方向變成s-偏振方向，或者通過(guò)在該液晶顯示元件21的后續(xù)級(jí)上插入相位板，能夠僅將圖像傳輸光通量L1限制成s-偏振部分。
第九實(shí)施例的第二修改實(shí)例下面根據(jù)圖60和圖61描述第九實(shí)施例的第二修改實(shí)例。
這個(gè)修改實(shí)例是減光薄膜20的修改實(shí)例。這個(gè)修改實(shí)例的減光薄膜20用全息光學(xué)薄膜制造。
在制造這種全息光學(xué)薄膜時(shí)發(fā)生兩次曝光。
第一次曝光是用于使該全息光學(xué)薄膜具有透射以大約0°入射角的入射的光特性的曝光，具有預(yù)定的透射比。這次曝光發(fā)生在例如如圖60所示的光學(xué)系統(tǒng)中。
具體說(shuō)，兩個(gè)光通量豎直入射在全息光敏材料56上。光學(xué)衰減器插入其中一個(gè)光通量中。透射比值可以通過(guò)光衰減器52的衰減量設(shè)置。在圖60中，51表示激光光源(能夠輻射波長(zhǎng)為紅色、綠色和藍(lán)色的激光光束)。BS表示分束管，M表示反射鏡，53表示光束擴(kuò)展器，55表示分束管。
第二次曝光是用于確保對(duì)在平面基片11中內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1的反射比的曝光。這次曝光發(fā)生在例如如圖61所示的光學(xué)系統(tǒng)中。
具體說(shuō)，兩個(gè)光通量以與在平面基片11中內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1的角度相同的角度入射在全息光敏材料56上。在圖61中，51表示激光光源(能夠輻射波長(zhǎng)為紅色、綠色和藍(lán)色的激光光束)。BS表示分束管，M表示反射鏡，53表示光束擴(kuò)展器，57表示分束管。
兩次曝光之后，全息光敏材料56被顯影，以便完成為息光學(xué)薄膜。
這樣完成全息光學(xué)薄膜具有減光薄膜20需要具有的功能。
雖然這個(gè)修改實(shí)例是由全息光學(xué)薄膜制成的減光薄膜20的修改實(shí)例，但是該減光薄膜20和減光薄膜40能夠由一種全息光學(xué)薄膜構(gòu)成。
在這種全息光學(xué)薄膜的制造中，第一次曝光以兩個(gè)分開(kāi)的步驟進(jìn)行。
在其中一個(gè)曝光步驟中，全息光學(xué)薄膜的中心區(qū)域被暴露(周邊區(qū)域被遮蔽)，在另一個(gè)曝光步驟中，該周邊區(qū)域被暴露(該中心區(qū)域被遮蔽)。
在這兩個(gè)曝光步驟中，光衰減器52的衰減量設(shè)置為不同值。因此，該全息光學(xué)薄膜的中心區(qū)的透射比和周邊區(qū)域的透射比設(shè)置為不同值。
第十實(shí)施例下面根據(jù)圖62、圖63、圖64、圖65和圖66描述本發(fā)明的第十實(shí)施例。
這個(gè)實(shí)施例是眼鏡顯示器的實(shí)施例。在這里，只描述與第八實(shí)施例的不同之處。
圖62是這種眼鏡顯示器的外觀圖。圖62的坐標(biāo)系是右手定則的XYZ笛卡兒座標(biāo)系，其中，如果從觀察者看，X方向指向下，Y方向指向右。在下面的描述中，由XYZ座標(biāo)系表示的方向或由從觀察者看的上下左右表示的方向?qū)⒏鶕?jù)需要而使用。
如圖62所示，這種眼鏡顯示器的外觀和第八實(shí)施例的外觀(見(jiàn)圖37)基本相同。
圖63是這種眼鏡顯示器的詳圖，并且是這種眼鏡顯示器的光學(xué)系統(tǒng)部分沿著平行于YZ平面的平面截取的示意剖視圖。
如圖63所示，在該眼鏡顯示器中的圖像傳輸光通量L1和外部光通量L2的狀態(tài)和第八實(shí)施例的狀態(tài)(見(jiàn)圖38)是同樣的。
第一光學(xué)薄膜60設(shè)置在平面基片11的外側(cè)表面1b上。由光學(xué)玻璃制造的第二平面基片70設(shè)置在該第一光學(xué)薄膜60的表面上。第二光學(xué)薄膜80也粘貼在該的二平面基片70的表面上。
該第一光學(xué)薄膜60以和空氣隙同樣的方式作用于該平面基片11。具體說(shuō)，該第一光學(xué)薄膜60的平面基片11的側(cè)界面以基本上100％的反射比反射圖像傳輸光通量L1。而且，第一光學(xué)薄膜60透射外部光通量L2。此外，第一光學(xué)薄膜可以具有減少可見(jiàn)光的功能和防紫外或紅外的功能。
該第二平面基片70和第二光學(xué)薄膜80具有減少外部光通量L2的功能。此外，該第二平面基片70和第二光學(xué)薄膜80可以具有減少可見(jiàn)光的功能和防紫外或紅外的功能。
在這種眼鏡顯示器中，第一光學(xué)薄膜60的功能確保對(duì)在平面基片11中內(nèi)表面反射的圖像傳輸光通量L1的反射比，因此第二平面基片70和第二光學(xué)薄膜80具有增強(qiáng)對(duì)該圖像傳輸光通量L1的反射比不是必需的。
因此，構(gòu)造該第二平面基片70和第二光學(xué)薄膜80的自由度很大。例如任何類(lèi)型的出射光學(xué)濾光器玻璃可以應(yīng)用于該第二平面基片70。
因此，第二平面基片70和第二光學(xué)薄膜80可以具有較高的減光功能。
高減光功能是指，例如，決于入射角的減光比例取的變化很小，取決于波長(zhǎng)的減光比例的變化很小等。
下面將描述第一光學(xué)薄膜的具體例子。在這里將描述圖像傳輸光通量被限制在s-偏振部分的情況。
第一光學(xué)薄膜60的結(jié)構(gòu)如下平面基片/(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.15L0.28H0.125L)/第二平面基片，其中H高折射率電介質(zhì)(H層)L低折射率電介質(zhì)(L層)每層左側(cè)上的數(shù)字值每層的層厚(所用波長(zhǎng)范圍的中心波長(zhǎng))以及上標(biāo)數(shù)字括號(hào)中的層組重疊的數(shù)目。
第一光學(xué)薄膜60的詳細(xì)情況(規(guī)格)如下0169中心波長(zhǎng)λC850納米，平面基片的折射率1.56，H層的折射率2.30L層的折射率1.46第二平面基片的折射率1.507，第二平面基片的消光系數(shù)＝0.01。
此外，第二平面基片70的消光系數(shù)設(shè)置成大值，例如0.01，其目的是通過(guò)利用作為第二平面基片70的折射率為1.50和厚度為1mm的各種類(lèi)型的光學(xué)濾光玻璃，提供具有各種減光特性和波長(zhǎng)截?cái)喙δ艿牡诙矫婊?0。
圖64示出折射率為1.50和厚度為1mm的玻璃基片的計(jì)算的消光系數(shù)k和透射比之間的校正。
從圖64可以看到，實(shí)際消光系數(shù)k的最大值是0.01。
因此，將第二平面基片70的消光系數(shù)設(shè)置為0.01使得無(wú)論哪些光濾光器玻璃用作第二平面基片70，都能夠構(gòu)造有效的第一光學(xué)薄膜60。
第一光學(xué)薄膜的平面基片11一側(cè)的反射比的波長(zhǎng)特性(入射角0°，60°)示于圖65。
而且，第一光學(xué)薄膜60的第二平面基片70一側(cè)的反射比的角度特性示于圖66。
如圖65所示和圖66清楚地所示，該第一光學(xué)薄膜60對(duì)以0°入射角入射的可見(jiàn)光的s-偏振部分表現(xiàn)出10％或更低的反射比，而對(duì)對(duì)以60°入射角入射的可見(jiàn)光的s-偏振部分表現(xiàn)出基本上100％的反射比。
而且，如前所述，任何濾光器玻璃可以用作第二平面基片70。也就是說(shuō)，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的任何濾光器玻璃，例如紫外保護(hù)器、紅外保護(hù)器、濾色器以及中性光強(qiáng)濾光器(對(duì)可見(jiàn)光譜中所有波長(zhǎng)均勻地減光的濾光器)都能夠應(yīng)用于第二平面基片70。
而且，作為第二光學(xué)薄膜80，可以用適合于保護(hù)該第二平面基片70的表面的任何薄膜，例如，防反射薄膜等。優(yōu)選地，當(dāng)與第二平面基片70組合時(shí)實(shí)現(xiàn)所希望的性能的薄膜應(yīng)用于該第二光學(xué)薄膜80。
例如，中性光強(qiáng)濾光器可以用作第二平面基片70，而紅外保護(hù)薄膜可以用作第二光學(xué)薄膜80。而且，紫外保護(hù)玻璃可以用作第二平面基片70，而減光薄膜和紫外保護(hù)薄膜可以用作第二光學(xué)薄膜80。
簡(jiǎn)言之，第二平面基片70和第二光學(xué)薄膜80的組合可以根據(jù)眼鏡顯示器需要具有的性能、眼鏡顯示器的制造成本等適當(dāng)?shù)剡x擇。
此外，諸如各種濾光器的各種多層薄膜的種類(lèi)和功能詳細(xì)的描述在參考文獻(xiàn)中，例如Macleod撰寫(xiě)的″Thin-Film optical Filters 3rdEdition″一文中，因此其詳細(xì)描述在這里被省去。
在第一光學(xué)薄膜60的上述結(jié)構(gòu)中，為什么在多循環(huán)層組的兩側(cè)上設(shè)置單循環(huán)層組的理由是調(diào)節(jié)第一光學(xué)薄膜60和平面基片11之間的折射率失配(mismatch)，以及調(diào)節(jié)第一光學(xué)薄膜60和第二平面基片70之間的折射率失配(即，每個(gè)單循環(huán)層組是一個(gè)匹配層)。該匹配層用來(lái)微調(diào)第一光學(xué)薄膜的特性，例如將減小的透射比所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍的波動(dòng)減小。
第十實(shí)施例的修改實(shí)例第一光學(xué)薄膜60的結(jié)構(gòu)可以與上述結(jié)構(gòu)不同。無(wú)論應(yīng)用那種結(jié)構(gòu)，都包括適當(dāng)?shù)难h(huán)層組。而且，無(wú)論應(yīng)用那種結(jié)構(gòu)，希望用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。
而且，當(dāng)?shù)诙鈱W(xué)薄膜80和第二平面基片70組合時(shí)，也可以應(yīng)用鉻(Cr)金屬薄膜等和消光系數(shù)小的光學(xué)玻璃基片的組合。
而且，作為第二光學(xué)薄膜80，也可應(yīng)用各種功能光學(xué)薄膜，例如電致變色薄膜(EC薄膜)，光致變色薄膜(PC薄膜)等。
電致變色薄膜(EC薄膜)使使用者根據(jù)由使用者的接通操作所決定的眼鏡顯示器的使用狀態(tài)能夠選擇必需減光或不減光。例如，使用者可以進(jìn)行下述選擇，例如，在白天在眼鏡顯示器用于戶外的情況下，當(dāng)外部圖像特別明亮?xí)r，減少光，而在眼鏡顯示器用于室內(nèi)的情況下，當(dāng)外部圖像不是非常明亮?xí)r，不減光。
通過(guò)這種操作，無(wú)論眼鏡顯示器的使用狀態(tài)如何，能夠保持外部圖像的可見(jiàn)性和顯示圖像的可見(jiàn)性。
而且，如果使用光致變色薄膜，只有當(dāng)外部光通量L2的光強(qiáng)很高時(shí)，該外部光通量L2能夠自動(dòng)減少，使得能夠自動(dòng)保持外部圖像的可見(jiàn)性和顯示圖像的可見(jiàn)性，而與眼鏡顯示器的使用狀態(tài)無(wú)關(guān)。
利用上述功能薄膜顯著地改善眼鏡顯示器的功能。
而且，在這種眼鏡顯示器中，如同第九實(shí)施例一樣，該圖象顯示光學(xué)系統(tǒng)1的中心區(qū)域的減光比例能夠很容易設(shè)置成高于圖像顯示光學(xué)系統(tǒng)1的周邊區(qū)域的減光比例。
例如，第二平面基片70由中性強(qiáng)度濾光器制成，第二光學(xué)薄膜80由減光薄膜制造，第二光學(xué)薄膜的形成區(qū)僅限于中心區(qū)。
在這種眼鏡顯示器中，第一光學(xué)薄膜60可以用全息光學(xué)薄膜制造。圖61所示的光學(xué)系統(tǒng)用于制造全息光學(xué)薄膜。但是，由于使用時(shí)第一光學(xué)薄膜60夾在平面基片11和第二平面基片70之間，與這些平面基片相同形狀的輔助棱鏡設(shè)置在圖61的兩個(gè)光通量的光路中。
而且，在這種眼鏡顯示器中，第二光學(xué)薄膜80可以用全息光學(xué)薄膜制造。
其他實(shí)施例

上述第八實(shí)施例至第十實(shí)施例(包括其修改實(shí)例)的減光功能可以設(shè)置在第一實(shí)施例至第七實(shí)施例的任何眼鏡顯示器中。
工業(yè)實(shí)用性在上述實(shí)施例中，只描述了眼鏡顯示器，但是本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于照相機(jī)、雙筒望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等的取景器等。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，包括預(yù)定的光通量能夠通過(guò)其內(nèi)部傳播的平面基片；和光學(xué)功能單元，其設(shè)置成與所述傳播的預(yù)定的光通量所能夠到達(dá)的所述平面基片的表面緊密接觸，并具有干涉或或衍射作用，所述作用反射該預(yù)定的光通量并透射到達(dá)該表面的外部光通量。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中所述光學(xué)功能單元具有反射在一個(gè)具體方向上偏振的所述預(yù)定光通量并透射在另一方向上偏振的光通量的性質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)元件，其中所述光學(xué)功能單元具有以所希望的反射特性反射以等于或大于臨界角的入射角達(dá)到所述表面的所述預(yù)定光通量的性質(zhì)，該臨界角由所述平面基片和空氣的折射率確定，并且該臨界角是該平面基片內(nèi)部的光通量被全反射的條件。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其中所述光學(xué)功能單元具有減少所述外部光通量而不增加所述預(yù)定光通量的光路的光強(qiáng)衰減的功能。
5.一種合成器光學(xué)系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，從預(yù)定的圖像顯示元件發(fā)射的圖像傳輸光通量在該光學(xué)元件中傳播，并且該光學(xué)元件至少在所述平面基片面向觀察眼睛的狀態(tài)下透射從外部視場(chǎng)引導(dǎo)到觀察眼睛的所述外部光通量；和設(shè)置在所述光學(xué)元件中的合成器，其沿著所述觀察眼睛的方向反射已在所述平面基片中傳播的所述圖像傳輸光通量，并透射所述外部光通量。
6.如權(quán)利要求5所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)功能單元是設(shè)置在所述平面基片的表面上的光學(xué)薄膜，并且第二平面基片設(shè)置在所述光學(xué)薄膜的表面上。
7.如權(quán)利要求6所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第二平面基片是用于屈光度校正的折射器。
8.如權(quán)利要求6所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)功能單元設(shè)置在所述平面基片的外側(cè)表面上，并且整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)包括所述光學(xué)功能單元，并且所述第二平面基片具有減少所述外部光通量而不增加所述圖像傳輸光通量的光路的光強(qiáng)衰減的功能。
9.如權(quán)利要求8所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第二平面基片具有吸收可見(jiàn)光的性質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)薄膜具有減少所述外部光通量而不增加所述圖像傳輸光通量的光路的光強(qiáng)衰減的功能。
11.如權(quán)利要求8所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)薄膜由金屬和/或電介質(zhì)制成。
12.如權(quán)利要求8所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)薄膜由全息光學(xué)薄膜制成。
13.如權(quán)利要求8所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中第二光學(xué)薄膜設(shè)置在所述第二平面基片的表面上。
14.如權(quán)利要求13所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第二光學(xué)薄膜由金屬和/或電介質(zhì)制成。
15.如權(quán)利要求13所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第二光學(xué)薄膜由全息光學(xué)薄膜制成。
16.如權(quán)利要求13所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第二光學(xué)薄膜由電致變色薄膜制成。
17.如權(quán)利要求13所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第二光學(xué)薄膜由光致變色薄膜制成。
18.如權(quán)利要求8至17中任何一項(xiàng)所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，其中整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)包括所述光學(xué)功能單元，并且所述第二平面基片減少入射在所述合成器上的所述外部光通量，其減少比例高于其余的外部光通量被減少的比例。
19.如權(quán)利要求5至18中任何一項(xiàng)所述的合成器光學(xué)系統(tǒng)，還包括導(dǎo)向反射鏡，用于沿著使所述圖像傳輸光通量在所述平面基片中被內(nèi)表面反射的方向引導(dǎo)從所述圖像顯示元件發(fā)出的所述圖像傳輸光通量。
20.一種圖像顯示單元，包括圖像顯示元件，用于發(fā)射用于圖像顯示的圖像傳輸光通量，和根據(jù)權(quán)利要求5至19中任何一項(xiàng)的合成器光學(xué)系統(tǒng)，用于將所述圖像傳輸光通量引導(dǎo)到所述觀察眼睛。
21.如權(quán)利要求20所述的圖像顯示單元，還包括安裝部件，所述合成器光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)該安裝部件戴在觀察者的頭上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有內(nèi)部反射功能和透視特性的光傳播的光學(xué)元件，即便諸如高于周?chē)橘|(zhì)折射率的折射件的部件與其表面緊密接觸也不會(huì)損害該反射功能和透視特性。該光學(xué)元件的特征在于包括能夠使預(yù)定的光通量傳播通過(guò)其里面的平面基片和光學(xué)功能單元，該光學(xué)功能單元設(shè)置成與傳播的預(yù)定光通量能到達(dá)的該平面基片的表面緊密接觸，并具有反射該預(yù)定光通量并透射到達(dá)該表面的外部光通量的干涉或衍射作用。使用時(shí)這種光學(xué)功能元件能夠?qū)崿F(xiàn)容易具有諸如屈光度校正的功能的合成器光學(xué)系統(tǒng)，和具有諸如屈光度校正的功能的圖像顯示單元。
文檔編號(hào)G02B27/02GK1957269SQ20058001597
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者平山義一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社尼康