光學(xué)裝置以及虛像顯示裝置的制作方法

文檔序號(hào)：2733254閱讀：129來(lái)源：國(guó)知局

導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>攝影電影;光學(xué)設(shè)備的制造及其處理,應(yīng)用技術(shù)

專利名稱：光學(xué)裝置以及虛像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及一種虛像顯示裝置，用于顯示通過(guò)一虛像光學(xué)系統(tǒng)放大的供觀看對(duì)象觀看的二維圖像，更具體地，涉及一種采用全息光學(xué)元件(特別為一反射體全息光柵)引導(dǎo)圖像光顯示到觀看對(duì)象的光瞳的細(xì)長(zhǎng)的光學(xué)裝置，以及采用該光學(xué)裝置的虛像顯示裝置。
本申請(qǐng)要求于2004年3月29日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)第2004-097222號(hào) 的優(yōu)先權(quán)，其公開(kāi)內(nèi)容在此全部引用作為參考。
背景技術(shù)：
為觀看對(duì)象觀看放大的虛像，提出如圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)。在圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中，顯示在圖像顯示裝置301上的圖像光首先入射到其中設(shè)置透射全息透鏡303的光波導(dǎo)302上。入射圖像光被透射全息透鏡303形成平行光，且入射圖像光在光波導(dǎo)302內(nèi)以全反射的角度偏轉(zhuǎn)。
光波導(dǎo)302內(nèi)還設(shè)置一透射全息光柵304,所述透射全息光柵304與透射全息透鏡303排成行并與其間隔一預(yù)定距離。在圖像光通過(guò)光波導(dǎo)302且全反射后，圖像光入射到透射全息光柵304上并且由透射全息光柵304再次衍射而成平行光投射到光波導(dǎo)302外部并投向觀看對(duì)象的光瞳。
為觀看對(duì)象觀看放大的虛像，還提出如圖2所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)。在圖2所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中，引導(dǎo)顯示在圖像顯示元件401上的圖像光通過(guò)具有不規(guī)則表面(free-form surface )的棱鏡402入射到光波導(dǎo)403 上。如圖3所示，光波導(dǎo)403包括在光波導(dǎo)403的入射側(cè)上的入射區(qū)域Zl 內(nèi)設(shè)置的第一HOE (全息光學(xué)元件)404和第二HOE405，以及在出射側(cè)上的出射區(qū)域Z2內(nèi)設(shè)置的第三HOE 407和第四HOE 406。入射到光波導(dǎo)403
上的圖像光在光波導(dǎo)403的光入射側(cè)、與光入射側(cè)相對(duì)的表面上設(shè)置的第一 HOE 404以及在光入射側(cè)設(shè)置的第二HOE 405上被連續(xù)地衍射和反射，并在光波導(dǎo)403內(nèi)部被偏轉(zhuǎn)成以大于全反射臨界角的角度前行。具體地，入射到光波導(dǎo)403上的圖像光Ll在第一 HOE 404的第一入射側(cè)衍射反射面Dl 上衍射并反射，然后在第二 HOE 405的第二入射側(cè)衍射反射面D2上衍射并反射，由此而以大于臨界角的角度a2前行。注意圖像光L1在第一衍射反射面Dl上衍射并反射時(shí)，它將以小于臨界角的角度al前行。
光波導(dǎo)403內(nèi)以大于臨界角的角度前行的圖像光L2在光波導(dǎo)403內(nèi)部傳播且全反射，然后連續(xù)地在第四HOE 406的第一出射側(cè)衍射反射面D3上衍射并反射，然后在第三HOE 407的第二出射側(cè)衍射反射面D4上衍射和反射，由此而以小于臨界角的角度a3前行并向光波導(dǎo)403外部觀看對(duì)象的光瞳出射。
但是，圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)
首先，在圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中，從圖像顯示裝置301投射的發(fā)散光直接入射到光波導(dǎo)302內(nèi)的透射全息透鏡303上。由于透射全息透鏡 303僅具有相對(duì)較小的衍射接收角，因此當(dāng)圖像顯示裝置301與透射全息透鏡303之間的距離增加時(shí)，即，當(dāng)透射全息透鏡303的焦距增加以便使得光學(xué)系統(tǒng)增加放大率時(shí)，光瞳305的直徑不能增加。
第二，由于透射全息透鏡303的干涉帶是具有球形相成分(spherical phase component)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以難以將干涉帶組合或疊層在一起以便獲得較大的衍射接收角，并且透鏡303無(wú)法設(shè)計(jì)成以不同的效率(efficiency)、相同的衍射角衍射波長(zhǎng)和入射角相等的光束。
第三，在圖1所示的虛^f象觀看光學(xué)系統(tǒng)中，由于在光波導(dǎo)302上設(shè)置的透射全息透鏡303衍射來(lái)自圖像顯示裝置301的圖像光束且形成平行光束，即，產(chǎn)生光功率時(shí)，會(huì)造成大的單色偏心像差(monochromatic eccentric aberration),這會(huì)導(dǎo)致投射到光瞳上的圖像分辨率下降。
第四，圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)使用透射全息光柵304校正透射全息透鏡303內(nèi)出現(xiàn)的消色像差(achromatic aberration )。由于入射到透射全息光柵304的光束只在圖1的繪圖平面內(nèi)的方向上偏轉(zhuǎn)，則無(wú)法消除在至少垂直于繪圖平面的方向上出現(xiàn)的像差。因?yàn)楣獠▽?dǎo)302內(nèi)設(shè)置的兩個(gè)透射全息元件(透射全息透鏡303和透射全息光柵304 )彼此不同，并且大體只能使
用窄頻帶的光源，所以會(huì)出現(xiàn)衍射導(dǎo)致的色差，這對(duì)常規(guī)的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)是很大限制。
通過(guò)在圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中追溯入射到光瞳上的光束來(lái)進(jìn)行
模擬。模擬的結(jié)果表明，即使色差被兩個(gè)透射全息元件校正，仍會(huì)發(fā)生士2nm 的波長(zhǎng)漂移引起圖像顯示裝置301上的圖像光士30 (im的漂移。
如果兩個(gè)透射全息元件同是例如沒(méi)有光功率的透射體全息光柵，會(huì)產(chǎn)生如下所述另外的問(wèn)題。
已知在入射角為常數(shù)的情況下，透射體全息元件的衍射接收頻帶寬于反射體全息元件的衍射接收頻帶。因此，如果光源的頻帶較寬，或者如果每個(gè) 三原色光RGB(R:紅光；G:綠光；B:藍(lán)光)的光源的波長(zhǎng)間隔較窄(而每種色光的頻帶較寬的情況下)，會(huì)出現(xiàn)因大量衍射造成的色散，即衍射色散。
即使用于例如綠光(中心波長(zhǎng)為550 nm)的透射體全息元件也在400
光二極管)(發(fā)光波長(zhǎng)為410到490 nm )以及來(lái)自紅光LED(發(fā)光波長(zhǎng)為600 到660 nm)的光。
衍射色散引起的色差可由光柵柵距彼此相等的兩個(gè)全息元件消除。但是，如果由其中一個(gè)全息元件造成的色散較大，在光波導(dǎo)內(nèi)傳播的光束會(huì)大幅擴(kuò)散，從而導(dǎo)致以下的問(wèn)題。當(dāng)已被第一全息元件衍射并在光波導(dǎo)內(nèi)傳播的大幅擴(kuò)散的光束在第二全息元件處被衍射并從光波導(dǎo)射出時(shí)，它會(huì)在傳播方向上基于它本身的波長(zhǎng)大幅擴(kuò)散并導(dǎo)致觀看對(duì)象光瞳上的虛像的色彩不均勻性惡化。
另一方面，在反射體全息元件中，一個(gè)干涉帶所具有的衍射接收頻帶較窄。因此，如果圖像光是彩色的，可通過(guò)將每個(gè)RGB的全息層疊在一起或組合每個(gè)RGB的干涉帶而使多種色彩(光波導(dǎo)內(nèi)的全反射角)的衍射角均衡。
相反，在入射波長(zhǎng)為常數(shù)的情況下，透射體全息元件的衍射接收角小于反射體全息元件的衍射接收角，并因此難以增加場(chǎng)角或光瞳305的直徑。
另外，由于在圖2和3所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中，圖像顯示元件401 的圖像中間形成在光波導(dǎo)403內(nèi)部，所以第一HOE404、第二HOE405、第三HOE 406和第四HOE 407具有偏心配置(eccentric layout)的光功率。因
此，還是在該虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中，會(huì)與圖1所示的虛^f象觀看光學(xué)系統(tǒng)一樣出現(xiàn)偏心像差。
在圖2和3所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中，互相軸對(duì)稱地設(shè)置不規(guī)則表面的棱鏡402、第一 HOE 404、第二 HOE 405、第三HOE 406和第四HOE 407, 以減少偏心像差。但是，由于每個(gè)HOE的衍射效率的上限大致為70到80%，所以四個(gè)HOE的4汙射效率總和為70到80%的四次冪，因此衍射效率會(huì)顯著下降。
如上所述，在具有復(fù)雜的干涉圖樣的全息元件中，難以通過(guò)將全息層疊置在一起或組合干涉帶來(lái)提高干涉帶的衍射接收。因此，無(wú)法增加光瞳直徑。
另外，由于會(huì)聚光(下至中間成像)或發(fā)散光(中間成像之后)在光波導(dǎo)403內(nèi)部傳播，沒(méi)有被第一反射和衍射作用衍射而是在光波導(dǎo)403的面內(nèi) 再次全反射的光束不能再用作圖像顯示光或圖像光。因此，常規(guī)的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)既不能有效地利用光，也不能放大可視范圍。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是通過(guò)提供一種光學(xué)裝置和虛像觀看光學(xué)系統(tǒng) 來(lái)克服相關(guān)技術(shù)的上述缺陷，其中，通過(guò)消除或減少單色像差和衍射色差來(lái) 提高圖像分辨率，通過(guò)減少所使用的全息元件的數(shù)量而更高效率衍射光，均勻化顯示圖像的色彩，并且增加光瞳直徑。
根據(jù)本發(fā)明，以上目的可通過(guò)提供一種光學(xué)裝置而實(shí)現(xiàn)，其中包括
波導(dǎo)內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)部全反射條件的光束組；
一第一反射體全息光柵，所述第一反射體全息光柵衍射和反射從外部入射到所述光波導(dǎo)上并如此以不同方向傳播的平行光束組，使之滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件；
一第二反射體全息光柵，所述第二反射體全息光柵通過(guò)它的衍射和反射
組，使之不滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件，通過(guò)光波導(dǎo)引導(dǎo)的所述
的時(shí)間內(nèi)全反射不同次。
根據(jù)本發(fā)明，以上目的還可通過(guò)提供一種虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)，其
中包括
一圖像顯示元件；
一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將來(lái)自所述圖像顯示元件的每個(gè)像素的光束形成為在不同方向上傳播的平行光束組；
一光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)通過(guò)內(nèi)部全反射引導(dǎo)滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件的平行光束組；
一第一反射體全息光柵，所述第一反射體全息光柵衍射和反射從外部入射到光波導(dǎo)上并如此以不同的方向傳播的平行光束組，使之滿足所述光波導(dǎo) 內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件；以及
一第二反射體全息光柵，通過(guò)所述第二反射體全息光柵的衍射和反射從所述光波導(dǎo)射出由所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射引導(dǎo)的平行光束組，使之不滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件，
波導(dǎo)到從所述光波導(dǎo)射出的時(shí)間內(nèi)全反射不同次。
根據(jù)本發(fā)明，以上目的還可通過(guò)設(shè)置一種虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)，其中包括
發(fā)出光束的一光源；
將從所述光源發(fā)出的光束形成為一平行光束的一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)；通過(guò)水平和垂直掃描將所述平行光束形成為在不同方向上傳播的平行
光束組的一掃描光學(xué)系統(tǒng)；
通過(guò)內(nèi)部全反射引導(dǎo)滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件的平行光
束組的一光波導(dǎo)；
一第一反射體全息光柵，所述第一反射體全息光柵衍射和反射從所述掃描光學(xué)系統(tǒng)入射到所述光波導(dǎo)上并如此在不同方向上傳播的平行光束組，使之滿足在所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件；以及
一第二反射體全息光柵，所述第二反射體全息光柵通過(guò)它的衍射和反射
不滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件，
所述光波導(dǎo)上到從所述光波導(dǎo)出射的時(shí)間內(nèi)全反射不同次。
根據(jù)本發(fā)明，從外部入射到光波導(dǎo)上并在不同方向上傳播的平行光束組
如此被第一反射體全息光柵衍射和反射，使之滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)部全反射條件，并且在光波導(dǎo)內(nèi)部被全反射51導(dǎo)的平行光束組如此被第二反射體全息光柵衍射和反射而如此從光波導(dǎo)射出，使之不滿足所述光波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi) 部全反射條件。
平行光束在從外部入射到所述光波導(dǎo)上到從所述光波導(dǎo)出射的時(shí)間內(nèi)全反射不同次，形成的光波導(dǎo)可以很細(xì)并在沿它的長(zhǎng)度上足夠長(zhǎng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的虛像光學(xué)裝置可設(shè)計(jì)得更輕、更緊湊，并且制造成本更低。另外，如果所述虛像光學(xué)裝置被用作HMD (頭戴式顯示器)，戴在使用者頭上時(shí)可顯著減少可能給予使用者的不適感。
另外，根據(jù)本發(fā)明，由于只使用兩個(gè)全息光柵(第一和第二全息光柵)，可以更高效率進(jìn)行衍射。進(jìn)一步地，由于反射體全息光柵比透射體全息光柵的衍射接收波長(zhǎng)較小而衍射接收角較大，所以顯示圖像的色彩可更均勻，光瞳直徑可增加。進(jìn)一步地，由于用在本發(fā)明的第一和第二反射體全息光柵不用作透鏡，所以可消除單色偏心像差。另外，由于衍射接收波長(zhǎng)較小并由此衍射色差得以減少，可在觀看對(duì)象的光瞳上顯示高分辨率的圖像。
另外，根據(jù)本發(fā)明，記錄在第一反射體全息光柵上的干涉帶在全息表面上的柵距與記錄在第二反射體全息光柵上的相等。因此，可防止以相同波長(zhǎng) 和入射角入射的平行的光束被以不同的衍射角衍射，并且可在觀看對(duì)象的光瞳上顯示高分辨率的虛像。
另外，由于記錄在本發(fā)明中所使用的第一和第二反射體全息光柵中的每一個(gè)上的干涉帶是干涉帶簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單衍射光柵，所以干涉帶可被容易地組合在一起，每個(gè)上面都記錄干涉帶的全息層可又疊置在一起。由此，可在衍射
接收角增加并且不出現(xiàn)衍射色差和色域(colorgamut)減少的情況下，衍射和反射波長(zhǎng)彼此不同的平行光束組，例如，作為三原色光的RGB (R:紅光； G，綠光；B，藍(lán)光)。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)可/人以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式的詳細(xì)描述中顯見(jiàn)。

圖1是常規(guī)的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖2是另一個(gè)常規(guī)的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖3是圖2所示的常規(guī)虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)中所包括的光波導(dǎo)的側(cè)視圖。
圖4示出透射體全息光柵的衍射效率分布。
圖5示出反射體全息光柵的衍射效率分布。
圖6示出透射和反射體全息光柵的衍射效率與入射角的關(guān)系。
圖7示出透射和反射體全息光柵的衍射效率與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。
圖8是作為本發(fā)明的第一實(shí)施例的虛像顯示裝置的側(cè)視圖。
圖9是圖8中的圖像顯示裝置中所包括的第一反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖IO是圖8中的圖像顯示裝置中所包括的第二反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖11是作為本發(fā)明的第二實(shí)施例的虛像顯示裝置的側(cè)視圖。
圖12是圖11中的圖像顯示裝置中所包括的第一反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖13是圖11中的圖像顯示裝置中所包括的第二反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖14是作為本發(fā)明的第三實(shí)施例的虛像顯示裝置的側(cè)視圖。
圖15是圖14中的圖像顯示裝置中所包括的第一反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖16是圖14中的圖像顯示裝置中所包括的第一反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖17是作為本發(fā)明的第四實(shí)施例的虛像顯示裝置的側(cè)視圖。
圖18是圖17中的圖像顯示裝置中所包括的第一反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖19是圖17中的圖像顯示裝置中所包括的第二反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖20是圖17中的圖像顯示裝置中所包括的第二反射體全息光柵的變型的側(cè)碎見(jiàn)圖。
圖21是作為本發(fā)明的第五實(shí)施例的虛像顯示裝置的側(cè)視圖。圖22是作為本發(fā)明的第六實(shí)施例的虛像顯示裝置的側(cè)視圖。
圖23是圖22中的圖像顯示裝置中所包括的第二反射體全息光柵的側(cè)視圖，示出了光柵的衍射和反射。
圖24是圖22中的圖像顯示裝置中所包括的第二反射體全息光柵的側(cè)視圖。
圖25是圖22中的第二反射體全息光柵中所包括的全息層之一的側(cè)視圖。
圖26是圖22中的第二反射體全息光柵中的全息元件的變型的側(cè)視圖。圖27說(shuō)明記錄在圖22中的第二反射體全息光^Ui的干涉帶的傾斜角與
入射平行光束的入射角之間的關(guān)系。
圖28示出在平行光束以不同角度入射到圖22中的第二反射體全息光柵
上時(shí)，使衍射效率最大的干涉帶傾斜角的變化。
圖29是作為本發(fā)明的第七實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖30是作為本發(fā)明的第八實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖31是作為本發(fā)明的第九實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖32是作為本發(fā)明的第十實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖33是作為本發(fā)明的第十一實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖3 4是作為本發(fā)明的第十二實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖35是作為本發(fā)明的第十三實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)^L圖。圖36是作為本發(fā)明的第十四實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。圖37是作為本發(fā)明的第十五實(shí)施例的圖像顯示裝置的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的光學(xué)裝置和虛像顯示裝置的實(shí)施例。在描述本發(fā)明的實(shí)施例之前，將描述與常規(guī)的光學(xué)裝置和虛像顯示裝置
中所使用的透射體全息光柵的特性比較，每個(gè)實(shí)施例中所使用的反射體全息
光柵的特性。
如前對(duì)常規(guī)技術(shù)的描述，反射體全息光柵比透射體全息光柵具有較小的衍射接收頻帶和衍射接收角。
下面參照?qǐng)D4到7詳細(xì)描述。圖4示出透射體全息光柵的衍射效率分布，所述透射體全息光柵通過(guò)衍射以45。角透射在折射率為1.52的介質(zhì)內(nèi)垂直入射的波長(zhǎng)為550 nm的平行光束，圖5示出反射體全息光柵的衍射效率分布，
所述反射體全息光柵以45。角衍射和反射在折射率為1.52的介質(zhì)內(nèi)以士5。的垂直入射角入射的平行光束組(波長(zhǎng)為400到700 nm)。
的區(qū)域。選4奪每個(gè)全息元件的折射率調(diào)制(modulation)為0.05，對(duì)99%或更高的最大衍射效率選擇全息層的厚度。
從分別如圖4和5所示的透射和反射體全息光柵的衍射效率分布中可以看出，在同樣的入射角范圍內(nèi)，可由反射體全息光柵衍射的光波長(zhǎng)的變化小于可由透射體全息光柵衍射的光波長(zhǎng)的變化，或者在同樣的入射波長(zhǎng)范圍內(nèi) 反射體全息光柵內(nèi)的衍射接收角大于透射體全息光柵內(nèi)的衍射接收角。
圖6和7以另外的形式示出圖4和5所示的書(shū)f射效率分布。圖6示出透射和反射體全息光柵的衍射效率與入射角(入射波長(zhǎng)為550nm)的關(guān)系。注意在圖6中，實(shí)線代表透射體全息光柵與入射角的關(guān)系，虛線代表反射體全息光柵與入射角的關(guān)系。從圖6中顯見(jiàn)，反射體全息光柵的衍射接收角大于透射體全息光柵的衍射接收角。
同樣，圖7示出透射和反射體全息光柵的衍射效率與入射波長(zhǎng)(入射角為0。)的關(guān)系。注意在圖7中，實(shí)線代表透射體全息光柵與入射波長(zhǎng)的關(guān)系，虛線代表反射體全息光柵與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。從圖7中顯見(jiàn)，反射體全息光柵的衍射接收波長(zhǎng)大手小于透射體全息光柵的衍射接收波長(zhǎng)。
根據(jù)反射體全息光柵的一般特性，將解釋作為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的第一到第六實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)
圖8示出作為本發(fā)明的第一實(shí)施例的虛像顯示裝置。所述虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)IO指代。虛像顯示裝置i0包括顯示圖像的圖像顯示元件11,以及將入射顯示光從圖像顯示元件11引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述圖像顯示元件11是例如一個(gè)有機(jī)EL (電致發(fā)光)顯示元件、無(wú)機(jī) EL顯示元件或液晶顯示元件(LCD)等。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)12，光波導(dǎo)13,以及在光波導(dǎo) 13上設(shè)置的第一反射體全息光柵14和第二反射體全息光柵15。
準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)12從圖像顯示元件11的每個(gè)像素接收入射光束并將所述光束形成張角(angle of field)彼此不同的平行光束組。從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)12
出射并且張角彼此不同的平行光束組入射到光波導(dǎo)13上。
光波導(dǎo)13是細(xì)長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)，其主要包括一光學(xué)表面13a，其中在所述光學(xué)表面13a的一個(gè)端部設(shè)置光入射端口 13al,而在另一端部設(shè) 置一光出射端口 13a2，從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)12出射并且張角彼此不同的平行光束組入射到所述光入射端口 13al上，光從所述光出射端口 13a2出射；以及與光學(xué)表面13a相對(duì)的一光學(xué)表面13b。
在光波導(dǎo)13的光學(xué)表面13b上，在與光學(xué)表面13a上的光入射端口 13al 相對(duì)的位置設(shè)置第一反射體全息光柵14,在與光學(xué)表面13a上的光出射端口 13a2相對(duì)的位置設(shè)置第二反射體全息光柵15。
圖9和10示出每個(gè)上面記錄有干涉帶的第一和第二反射體全息光柵14 和15。如圖9和10所示，第一和第二反射體全息光4冊(cè)14和15分別在它的全息表面14S和15S上記錄三類(lèi)傾斜角不同的干涉帶，所述傾斜角是指干涉帶互相傾斜的角度。分別在全息表面14S和15S上以相同的柵距記錄三類(lèi)干涉帶的組合。每個(gè)第一和第二反射體全息光柵14和15是衍射接收頻帶大約為20 nm的單色全息光柵，它的衍射接收角由于記錄上述傾斜角彼此不同的三類(lèi)干涉帶而增加。
如圖9所示，第一反射體全息光柵14具有分別以傾斜角0a、 eb和ec記錄的多個(gè)千涉帶14a、 14b和14c,其中無(wú)論干涉帶位置如何柵距相同。類(lèi)似
地，圖io所示的第二反射體全息光4冊(cè)15具有分別以傾斜角ea、 eb和ec記
錄的柵距相同的多個(gè)干涉帶15a、 15b和15c。因此，第一和第二反射體全息光柵14和15的千涉帶位于光波導(dǎo)13的光學(xué)表面13b上而相對(duì)垂直于光學(xué) 表面13b的平面對(duì)稱。
入射到光波導(dǎo)13的光入射端口 13al上并且張角4皮此不同的平行光束組入射到上述第一反射體全息光柵14并如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束組將在光波導(dǎo)13的光學(xué)表面13a與光學(xué)表面13b之間被反復(fù) 全反射而傳播，并將入射到上述第二反射體全息光柵15上。
設(shè)置光波導(dǎo)13的光學(xué)表面13a和13b之間的長(zhǎng)度和厚度以提供這樣的光程長(zhǎng)，即，使得張角彼此不同并在光波導(dǎo)13內(nèi)傳播的平行光束根據(jù)它們的張角全反射不同次直到它們到達(dá)第二反射體全息光柵15 。
具體地，入射到光波導(dǎo)13上且朝第二反射體全息光柵15傾斜的成組平行光束中的部分(即，以較大的角度入射的平行光束)被反射的次數(shù)少于入
射到光波導(dǎo)13上且不朝第二反射體全息光柵15傾斜的平行光束(即，以較
小角度入射的平行光束)，這是因?yàn)槿肷涞焦獠▽?dǎo)13上的平行光束組的張角彼此不同。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射體全息光柵14上并由此以不同的衍射角投射，它們被以不同角度全反射。由此，當(dāng)光波導(dǎo)13 被設(shè)計(jì)為具有足夠長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，平行光束將分別被反射不同次。
張角彼此不同并入射到第二反射體全息光柵15的平行光束組被衍射和反射直至不滿足全反射條件而投射在光波導(dǎo)13的光出射端口 13a2，并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
如上，在光波導(dǎo)13的光學(xué)表面13b上設(shè)置第二反射體全息光柵15，使得其上記錄的干涉帶與全息表面上旋轉(zhuǎn)180。后的第一反射體全息光柵14的干涉帶相同的形狀。因此，由于將被第二反射體全息光柵15反射的平行光束組將以與入射到第一反射體全息光柵14上的角度相等的角度反射，在光瞳16上將顯示高分辨率、無(wú)模糊的顯示圖像。
由于設(shè)置了不用作透鏡的第一和第二反射體全息光柵14和15，則虛像顯示裝置10可消除和減少單色偏心像差和衍射色差。
注意盡管第一和第二反射體全息光柵14和15設(shè)置成使它們的全息表面 14S和15S平行于光波導(dǎo)13的光學(xué)表面13b，但本發(fā)明并不局限于該幾何結(jié) 構(gòu)，而是可以使它們的全息表面14S和15S與光學(xué)表面13b成一預(yù)定角度地布置。
(第二實(shí)施例)
圖11示出作為本發(fā)明的第二實(shí)施例的虛像顯示裝置。該虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)20指代。作為本發(fā)明的第二實(shí)施例的虛像顯示裝置20顯示彩色圖像的虛像。注意在圖11中，為便于觀看視圖，只主要示出中心張角方向的光束。
虛像顯示裝置20包括形成光源的照明光學(xué)系統(tǒng)30，以及將入射照明光從照明光學(xué)系統(tǒng)30引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的虛像光學(xué)系統(tǒng)。
照明光學(xué)系統(tǒng)30包括發(fā)出紅光的LED (發(fā)光二極管)光源31R，發(fā) 出綠光的光源31G,發(fā)出藍(lán)光的光源31B,以及色彩合成棱鏡32。
從LED光源31R、 31G和31B發(fā)出的紅光、綠光和藍(lán)光由作為正交棱鏡的色彩合成棱鏡32混合成白光并投射到虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括將從照明光學(xué)系統(tǒng)30發(fā)出的光形成平行光束
的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22，對(duì)來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22的平行光束進(jìn)行空間調(diào)制的旋轉(zhuǎn)反射鏡21A和21B，接收將在旋轉(zhuǎn)反射鏡21A和21B內(nèi)進(jìn)行空間調(diào)制的照明光的光波導(dǎo)23,以及在光波導(dǎo)23上設(shè)置的第一反射體全息光柵24和第二反射體全息光柵25。
準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22將照明光形成平行光束并將后者發(fā)射到用作下游處的空間調(diào)制器的旋轉(zhuǎn)反射鏡21A。
每個(gè)旋轉(zhuǎn)反射鏡21A和21B的功能是作為空間調(diào)制器對(duì)來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué) 系統(tǒng)22的平行光束進(jìn)行空間調(diào)制。如圖ll所示，旋轉(zhuǎn)反射鏡21A繞平行于繪圖平面的旋轉(zhuǎn)軸A在箭頭Al方向上旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)反射鏡21B繞垂直于旋轉(zhuǎn) 軸A并垂直于繪圖平面的旋轉(zhuǎn)軸B在箭頭Bl方向上旋轉(zhuǎn)。根據(jù)所要顯示的圖像由微型計(jì)算機(jī)(未示出)控制旋轉(zhuǎn)反射鏡21A和21B的旋轉(zhuǎn)。
從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22發(fā)出到旋轉(zhuǎn)反射鏡21A的平行光束被旋轉(zhuǎn)反射鏡 21A在與繪圖平面垂直的方向上掃描而反射向旋轉(zhuǎn)反射鏡21B。入射到旋轉(zhuǎn) 反射鏡21B上的平行光束被旋轉(zhuǎn)反射鏡21B在與繪圖平面平行的方向上掃描而成為傳播方向彼此不同的平行光束組反射向光波導(dǎo)23。
特別注意，旋轉(zhuǎn)反射4免21A和21B —起形成掃描光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)掃描來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22的平行光束將從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22發(fā)出的平行光束形成為在不同方向上傳播的平行光束組。
光波導(dǎo)23是細(xì)長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)，主要包括一光學(xué)表面23a，其中在所述光學(xué)表面23a的一個(gè)端部設(shè)置一光入射端口 23al,在另一端部設(shè) 置一光出射端口 23a2,被旋轉(zhuǎn)反射鏡21B反射的平行光束組入射到所述光入射端口 23al上，光/人所述光出射端口 23a2出射；以及與光學(xué)表面23a相對(duì)的一光學(xué)表面23b。
在光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23b上，在與光學(xué)表面23a上的光入射端口 23al 相對(duì)的位置設(shè)置第一反射體全息光柵24,在與光學(xué)表面23a上的光出射端口 23a2相對(duì)的位置設(shè)置第二反射體全息光柵25。
另外，光波導(dǎo)23在它的側(cè)部設(shè)置一透明基片26,而第一和第二反射體全息光柵24和25設(shè)置其上。在光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23b與透明基片26之間，沒(méi)有設(shè)置第一和第二反射體全息光柵24和25之處設(shè)有一空隙Air。
由于以上所設(shè)置的透明基片26,可保護(hù)作為全反射面的光學(xué)表面23b 以及第一和第二反射體全息光柵24和25。
圖12和13示出在每個(gè)上面記錄有干涉帶的第一和第二反射體全息光柵
24和25。
如圖12和13所示，每個(gè)第一和第二反射體全息光柵24和25在它上面記錄主要衍射和反射紅光、綠光和藍(lán)光的三類(lèi)干涉帶，即，紅光干涉帶24R、綠光干涉帶24G和藍(lán)光干涉帶24B的組合。記錄這三類(lèi)干涉帶使得全息表面24S和25S上的光柵柵距對(duì)于同種類(lèi)型的干涉帶相等而不同干涉帶類(lèi)型之間不同。
注意第一和第二反射體全息光柵24和25可將三類(lèi)干涉帶的組合記錄在一個(gè)全息層上，如圖12和13所示，不過(guò)每種類(lèi)型的干涉帶，即紅光干涉帶 24R，綠光干涉帶24G和藍(lán)光干涉帶24B中的每一個(gè)可記錄在一個(gè)全息層上，則各自記錄有干涉帶的三個(gè)全息層可疊置在一起。
如圖12所示，反射體全息光沖冊(cè)24將多個(gè)干涉帶24R、 24G和24B與干涉帶位置無(wú)關(guān)地以相同柵距且傾斜角度相同記錄在它上面。類(lèi)似地，圖13 所示的反射體全息光柵25具有柵距相同且傾斜角度相同的多個(gè)干涉帶24R、 24G和24B。因此，第一和第二反射體全息光4冊(cè)24和25的干涉帶位于光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23b上而相對(duì)垂直于光學(xué)表面23b的平面對(duì)稱。
入射到光波導(dǎo)23的光入射端口 23al上的平行光束組入射到上述第一反射體全息光柵24上并如此被以大致相同的角度衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束組將在光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23a和23b之間凈皮反復(fù)全反射而傳播，并將入射到上述第二反射體全息光柵25上。
設(shè)置光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23a和23b之間的長(zhǎng)度和厚度以提供這樣的厚度和這樣足夠的長(zhǎng)度，即，使得全反射而在光波導(dǎo)23內(nèi)部傳播的平行光束根據(jù)與它們的張角全反射不同次直到它們到達(dá)第二反射體全息光柵25 。
具體地，入射到光波導(dǎo)23上而朝第二反射體全息光柵25傾斜的成組平
入射到光波導(dǎo)23上而沒(méi)有朝第二反射體全息光柵25傾斜的平行光束(即，以較小角度入射的平行光束)，這是由于入射到光波導(dǎo)23上的平行光束具有彼此不同的張角。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射體全息光柵 24上并由此以不同的衍射角投射，由此，它們被以不同角度全反射。因而，當(dāng)光波導(dǎo)23被設(shè)計(jì)為具有足夠長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，平行光束將分別被反射不同次。
張角彼此不同并入射到第二反射體全息光柵25的平行光束組被衍射和
反射直至不滿足全反射條件，在光波導(dǎo)23的光出射端口 23a2出射，并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
如上，在光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23b上設(shè)置第二反射體全息光柵25使得在它上面記錄的干涉帶具有與全息表面上旋轉(zhuǎn)180。的第一反射體全息光柵 24上的干涉帶相同的形狀。因此，由于將被第二反射體全息光柵25反射的平行光束組將以與入射到第一反射體全息光柵24上的角度相等的角度反射，在光瞳16上將顯示高分辨率、無(wú)模糊的顯示圖像。
包括不用作透鏡的第一和第二反射體全息光柵24和25,使得虛像顯示裝置20可消除單色偏心像差和衍射色差。
注意盡管第一和第二反射體全息光柵24和25設(shè)置成使它們的全息表面 24S和25S平行于光波導(dǎo)23的光學(xué)表面23b，本發(fā)明并不局限于該幾何結(jié)構(gòu)，而是可以使它們的全息表面24S和25S與光學(xué)表面23b成一預(yù)定角度地布置。
(第三實(shí)施例)
圖14示出作為本發(fā)明的第三實(shí)施例的虛像顯示裝置。該虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)40指代。作為本發(fā)明的第三實(shí)施例的虛像顯示裝置40類(lèi)似于如前所述的第二實(shí)施例的虛像顯示裝置20顯示彩色圖像的虛像。注意在圖14 中，為便于觀看視圖只示出中心張角方向的光束。
虛像顯示裝置40包括也用在第二實(shí)施例中的照明光學(xué)系統(tǒng)30，以及將入射照明光從照明光學(xué)系統(tǒng)30引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22，反射來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng) 22的平行光束的反射鏡45,對(duì)由反射鏡45所反射的平行光束進(jìn)行空間調(diào)制的MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))鏡41，經(jīng)MEMS鏡41空間調(diào)制的照明光所投射到上面的光波導(dǎo)43,以及光波導(dǎo)43上設(shè)置的一第一反射體全息光柵44和第二反射體全息光柵45。注意不會(huì)再解釋已描述過(guò)的照明光學(xué)系統(tǒng)30和準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22。
MEMS鏡41用作一掃描光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)水平和垂直掃描平行光束使平行光束形成在不同方向上傳播的平行光束組。
作為傳播到虛像光學(xué)系統(tǒng)的照明光，來(lái)自照明光學(xué)系統(tǒng)30的白光傳播至將光形成平行光束的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22。該平行光束投射到反射鏡45。反射鏡45固定，并將來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)22的平行光束投射到MEMS 鏡41。
MEMS鏡41是用半導(dǎo)體技術(shù)制得的功能元件。它用作對(duì)入射平行光束進(jìn)行空間調(diào)制的空間光學(xué)調(diào)制器。MEMS鏡41可在二維方向上自由移動(dòng)。它通過(guò)對(duì)入射平行光束的空間調(diào)制，即利用反射入射光束以便于在垂直于繪圖平面的方向上和平行于繪圖平面的方向上掃描入射光束而形成圖像。根據(jù) 所要顯示的圖像由微型計(jì)算機(jī)(未示出)控制操作MEMS鏡41。
來(lái)自MEMS鏡41的平行光束如此在垂直于繪圖平面的方向上和平行于繪圖平面的方向上被掃描而成為傳播方向彼此不同的平行光束組反射向波導(dǎo)43。
光波導(dǎo)43是細(xì)長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)，主要包括一光學(xué)表面43b，在所述光學(xué)表面43b的一個(gè)端部設(shè)置一光入射端口 43bl，被MEMS鏡41 反射的平行光束組入射到所述光入射端口 43bl上；以及與光學(xué)表面43b相對(duì)的一光學(xué)表面43a,在光學(xué)表面43a的端部與光學(xué)表面43b相對(duì)的光入射端口 43bl設(shè)置光出射端口 43al。
在光波導(dǎo)43的光學(xué)表面43a上與光學(xué)表面43b上的光入射端口 43bl相對(duì)的位置設(shè)置第一反射體全息光柵44，在光波導(dǎo)43的光學(xué)表面43b上與光學(xué)表面43a上的光出射端口 43al相對(duì)的位置設(shè)置第二反射體全息光柵45。
圖15和16示出在每個(gè)上面記錄有干涉帶的第一和第二反射體全息光柵 44和45。除了第一和第二反射體全息光柵44和45分別是在設(shè)置第二和第一反射體全息光柵25和24的位置設(shè)置以外，第一和第二反射體全息光柵44 和45的結(jié)構(gòu)與已參照?qǐng)D12和13描述的第一和第二反射體全息光柵24和25 的結(jié)構(gòu)完全相同。
如圖15和16所示，第一和第二反射體全息光柵44和45的每一個(gè)上記錄三類(lèi)干涉帶的組合，所述三類(lèi)干涉帶主要衍射和反射紅光、綠光和藍(lán)光，即，紅光干涉帶44R、綠光干涉帶44G和藍(lán)光干涉帶44B。記錄這三類(lèi)干涉
型之間則不同。
注意第一和第二反射體全息光柵44和45可將三類(lèi)干涉帶的組合記錄在一個(gè)全息層上，如圖15和16所示，不過(guò)每種類(lèi)型的干涉帶，即紅光干涉帶 44R,綠光千涉帶44G和藍(lán)光千涉帶44B中的每一個(gè)可被記錄在一個(gè)全息層
上，而每個(gè)記錄有干涉帶的三個(gè)全息層可疊置在一起。
如圖15所示，第一反射體全息光柵44具有與干涉帶位置無(wú)關(guān)地柵距相同且傾斜相同地其上記錄的多個(gè)干涉帶44R、 44G和44B。類(lèi)似地，圖16 所示的第二反射體全息光柵45具有相同柵距且傾斜相同的多個(gè)干涉帶45R、 45G和45B。
從光波導(dǎo)43的光入射端口 43bl入射的平行光束組入射到上述第一反射體全息光柵44上并以大致相同的角度如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束組將在被在光波導(dǎo)43的光學(xué)表面43a和43b之間反復(fù)全反射而傳播，并將入射到上述第二反射體全息光柵45上。
設(shè)置光波導(dǎo)43的光學(xué)表面43a和43b之間的長(zhǎng)度和厚度以提供這樣的厚度和這樣足夠的長(zhǎng)度，即，使得在光波導(dǎo)43內(nèi)部全反射傳播的平行光束根據(jù)它們的張角全反射不同次直到它們到達(dá)第二反射體全息光柵45。
具體地，入射到光波導(dǎo)43上而朝第二反射體全息光柵45傾斜的平行光
到光波導(dǎo)43上而沒(méi)有朝第二反射體全息光柵45傾斜的平行光束(即，以較小角度入射的平行光束)，這是由于入射到光波導(dǎo)43上的平行光束組具有彼此不同的張角。即由于平行光束以不同角度入射到第一反射體全息光柵44 上并由此以不同的衍射角投射，它們被以不同角度全反射。由此，當(dāng)光波導(dǎo) 43被設(shè)計(jì)為具有足夠長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，平行光束將分別被反射不同次。
張角彼此不同并入射到第二反射體全息光柵45的平行光束組被衍射和反射直至不滿足全反射條件而投射在光波導(dǎo)43的光出射端口 43al，并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
如上，在光波導(dǎo)43的光學(xué)表面43b上設(shè)置第二反射體全息光柵45,使得在它上面記錄的干涉帶具有與全息表面上旋轉(zhuǎn)360。的第一反射體全息光柵44上的干涉帶相同的形狀。因此，由于將被第二反射體全息光柵45反射的平行光束組將以與入射到第一反射體全息光柵44上的角度相等的角度反射，在光瞳16上將顯示高分辨率、無(wú)模糊的顯示圖像。
包括不用作透鏡的第一和第二反射體全息光柵44和45，使得虛像顯示裝置40可消除單色偏心像差和衍射色差。
注意盡管第一和第二反射體全息光柵44和45設(shè)置成使它們的全息表面
44S和45S分別平行于光波導(dǎo)43的光學(xué)表面43a和43b，但本發(fā)明并不局限
于該幾何結(jié)構(gòu)，而是可以使它們的全息表面44S和45S分別與光學(xué)表面43a 和43b成一預(yù)定角度地布置。 (第四實(shí)施例)
圖17示出作為本發(fā)明的第四實(shí)施例的虛像顯示裝置。該虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)60指代。作為本發(fā)明的第四實(shí)施例的虛像顯示裝置60顯示彩色圖像的虛像。注意在圖17中，為便于觀看視圖只主要示出中心張角方向的光束。
所述虛像顯示裝置60包括一照明光學(xué)系統(tǒng)70,對(duì)來(lái)自照明光學(xué)系統(tǒng) 70的照明光進(jìn)行空間調(diào)制的空間光學(xué)調(diào)制器61,以及將被空間光學(xué)調(diào)制器 61空間調(diào)制的入射照明光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述照明光學(xué)系統(tǒng)70包括發(fā)出紅光的激光光源71R，發(fā)出綠光的激光光源71G，發(fā)出藍(lán)光的激光光源71B，色彩合成棱鏡72,耦合光學(xué)系統(tǒng) 73，斑紋減少裝置(speckle reducing means) 74，光纖75以及聚光透鏡76。
分別從激光光源71R、 71G和71B發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光被作為正交棱鏡的色彩合成棱鏡72混合以提供白光，所述白光被耦合光學(xué)系統(tǒng)73經(jīng)由斑紋減少裝置74引入光纖75。透射通過(guò)光纖75并從光纖75出射的白光經(jīng)由聚光透鏡76照明空間光學(xué)調(diào)制器61 。
空間光學(xué)調(diào)制器61是例如一透射液晶顯示元件，對(duì)入射照明光進(jìn)行每像素空間調(diào)制。由此被空間調(diào)制的照明光入射到虛像光學(xué)系統(tǒng)上。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，光波導(dǎo)63，以及在光波導(dǎo) 63上設(shè)置的第一和第二反射體全息光柵64和65。
準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)62將由空間光學(xué)調(diào)制器61所空間調(diào)制的入射照明光形成張角彼此不同的平行光束組。來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)62的平行光束組入射到光波導(dǎo)63上。
光波導(dǎo)63是細(xì)長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)，主要包括一光學(xué)表面63a, 在所述光學(xué)表面63a的一個(gè)端部設(shè)置一光入射端口 63al，并在另一端部設(shè)置光出射端口 63a2，來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)62的平行光束組入射到所述光入射端口 63al上，光從所述光出射端口 63a2出射；以及與光學(xué)表面63a相對(duì)的一光學(xué)表面63b。
在光波導(dǎo)63的光學(xué)表面63b上，在與光學(xué)表面63a上的光入射端口 63al 相對(duì)的位置設(shè)置第一反射體全息光柵64，在與光學(xué)表面63a上的光出射端口
63a2相對(duì)的位置設(shè)置第二反射體全息光柵65。
圖18和19示出在每個(gè)上面記錄有干涉帶的第一和第二反射體全息光柵 64和65。
如圖18和19所示，第一和第二反射體全息光柵64和65分別由疊在一起的三個(gè)全息層64A、 64B和64C以及疊在一起的三個(gè)全息層65A、 65B和 65C形成。每個(gè)反射體全息光柵的每個(gè)全息層在它上面記錄主要衍射和反射紅光、綠光和藍(lán)光的干涉帶。例如，第一反射體全息光柵64的全息層64A 在它上面記錄主要衍射和反射紅光的干涉帶，全息層64B在它上面記錄主要衍射和反射綠光的干涉帶，全息層64C在它上面記錄主要衍射和反射藍(lán)光的干涉帶。第二反射體全息光柵65也是如此。
的衍射接收角更大，如第一實(shí)施例中的第一和第二反射體全息光柵14和15 上所記錄的干涉帶中一樣，記錄在每個(gè)全息層上的干涉帶由三類(lèi)傾斜角彼此不同并在全息表面上以相同的柵距布置的干涉帶組合而成。
另外，第一和第二反射體全息光柵64和65可如下構(gòu)造。將參照?qǐng)D20 解釋第二反射體全息光柵65。注意盡管不會(huì)解釋第一反射體全息光柵64，它在結(jié)構(gòu)上與第二反射體全息光柵65完全相同。
如圖20所示，第二反射體全息光柵65由三個(gè)全息層65D、全息層65E 和全息層65F疊置形成。為在更寬的衍射接收波長(zhǎng)范圍衍射和反射頻段彼此不同的光束，一起形成第二反射體全息光柵65的每個(gè)全息層在它上面記錄三類(lèi)干涉帶的組合。所記錄的三類(lèi)干涉帶在全息表面上的光柵柵距對(duì)于每類(lèi) 干涉帶相等而不同的干涉帶之間則彼此不同。即，第二反射體全息光柵65 的每個(gè)全息層在它上面記錄與在第二實(shí)施例中使用的第一和第二反射體全息光柵24與25上的干涉帶相似的干涉帶。
另外，記錄在全息層65D、 65E和65F上的干涉帶具有傾斜角ed、 6e和 ef。在同一全息層內(nèi)的傾斜角彼此完全相同，但為了獲得更大的衍射接收角，不同的全息層之間的傾斜角彼此不同。
從光波導(dǎo)63的光入射端口 63al入射的平行光束組入射到上述第一反射體全息光柵64上并被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束組將在被在光波導(dǎo)63的光學(xué)表面63a和63b之間反復(fù)全反射而傳播，并將入射到上述第二反射體全息光柵65上。
設(shè)置光波導(dǎo)63的光學(xué)表面63a和63b之間的長(zhǎng)度和厚度以提供這樣的厚度和這樣足夠的長(zhǎng)度，即，使得在光波導(dǎo)63內(nèi)部全反射傳播的平行光束根據(jù)它們的張角全反射不同次直到它們到達(dá)第二反射體全息光柵65。
具體地，入射到光波導(dǎo)63上且朝第二反射體全息光柵65傾斜的平行光
到光波導(dǎo)63上且沒(méi)有朝第二反射體全息光柵65傾斜的平行光束(即，以較小角度入射的平行光束)，這是由于入射到光波導(dǎo)63上的平行光束具有彼此不同的張角。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射體全息光柵64 上并由此以不同的衍射角投射，它們被以不同角度全反射。由此，當(dāng)光波導(dǎo) 63被設(shè)計(jì)為具有足夠長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，平行光束將分別被反射不同次。
張角彼此不同并入射到第二反射體全息光柵65的平行光束組一皮衍射和反射直至不滿足全反射條件，在光波導(dǎo)63的光出射端口 63a2出射，并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
如上，在光波導(dǎo)63的光學(xué)表面63b上設(shè)置第二反射體全息光柵65,使得在它上面記錄的干涉帶具有與全息表面上旋轉(zhuǎn)180。的第一反射體全息光柵64上的干涉帶相同的形狀。因此，由于將被第二反射體全息光柵65反射的平行光束組將以與入射到第一反射體全息光柵64上的角度相同的角度反射，在光瞳16上將顯示高分辨率、無(wú)模糊的顯示圖像。
包括不用作透鏡的第一和第二反射體全息光柵64和65，使得虛像顯示裝置60可消除單色偏心像差和衍射色差。
注意盡管第一和第二反射體全息光柵64和65設(shè)置成使它們的全息表面 64S和65S平行于光波導(dǎo)63的光學(xué)表面63b，但本發(fā)明并不局限于該幾何結(jié) 構(gòu)，而是可以使它們的全息表面64S和65S與光學(xué)表面63b成一預(yù)定角度地布置。
(第五實(shí)施例)
圖21示出作為本發(fā)明的第五實(shí)施例的虛像顯示裝置。該虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)80指代。虛像顯示裝置80包括顯示圖像的一圖像顯示元件81, 以及將來(lái)自圖像顯示元件81的入射照明光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述圖像顯示元件81是例如一個(gè)有機(jī)EL (電致發(fā)光)顯示元件、無(wú)機(jī) EL顯示元件或液晶顯示元件(LCD)等。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)82,以及包括一全息層84的一光波導(dǎo)83。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)82從圖像顯示元件81的每個(gè)像素接收一光束并將該光束形成張角彼此不同的平行光束組。來(lái)自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)82并且張角彼此不同的平行光束組入射到光波導(dǎo)83上。
光波導(dǎo)83的結(jié)構(gòu)是全息層84位于在透明基片83A和83B之間。光波導(dǎo)83是細(xì)長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)，主要包括一光學(xué)表面83a，在所述光學(xué)表面83b的一個(gè)端部設(shè)置一光入射端口 83al，并在另一端部設(shè)置光出射端口 83a2, /人準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)82出射并且張角;f皮此不同的平行光束組入射到所述光入射端口 83al上，光從所述光出射端口 83a2出射；以及與光學(xué)表面83a 相對(duì)的一光學(xué)表面83b。
分別在光學(xué)表面83a和83b上設(shè)置光波導(dǎo)83的保護(hù)片85和86，以保護(hù) 光學(xué)表面83a和83b。光學(xué)表面83b上設(shè)置的保護(hù)片86在它上面與光波導(dǎo) 83的光入射端口 83al相同的位置設(shè)置一光罩87,以防止因圖像顯示元件81 上顯示并且被準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)82放大的圖像泄露到光波導(dǎo)83外部而減小光的利用效率。
全息層84在與光入射端口 83al相應(yīng)的位置具有一第一反射體全息光柵 84a，在與光出射端口 83a2相應(yīng)的位置具有一第二反射體全息光柵84c。全息層84的其余部分是沒(méi)有記錄干涉帶的區(qū)域84b。
第一和第二反射體全息光柵84a和84c中的每一個(gè)具有全息表面上相同柵距的干涉帶。另外，第二反射體全息光柵84c被設(shè)計(jì)為各部分之間的衍射效率不同。第二反射體全息光柵84c在接近光入射端口 83al的位置衍射效率較低，而在遠(yuǎn)離光入射端口 83al的位置衍射效率較高，使得光可被衍射和反射多次。
入射到光波導(dǎo)83的光入射端口 83al上并且張角彼此不同的平行光束組入射到上述第一反射體全息光柵84a上并如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束組將在光波導(dǎo)83的光學(xué)表面83a和83b之間反復(fù)全反射而傳播，并將入射到上述第二反射體全息光柵84c上。
設(shè)置光波導(dǎo)83的光學(xué)表面83a和83b之間的長(zhǎng)度和厚度以提供這樣的光程長(zhǎng)，即，使得張角彼此不同并在光波導(dǎo)83內(nèi)傳播的平行光束根據(jù)它們的張角全反射不同次直到它們到達(dá)第二反射體全息光柵84c。
更具體地，入射到光波導(dǎo)83上且朝第二反射體全息光柵84c傾斜的平行光束組中的一部分(即，以較大角度入射的平行光束)被反射的次數(shù)少于入射到光波導(dǎo)83上且沒(méi)有朝第二反射體全息光柵84c傾斜的平行光束(即，以較小角度入射的平行光束)，這是由于入射到光波導(dǎo)83上的平行光束組具有彼此不同的張角。即由于平行光束以不同角度入射到第一反射體全息光柵 84a上并由此以不同的衍射角投射，它們被以不同角度全反射。由此，當(dāng)光波導(dǎo)83被設(shè)計(jì)為具有足夠長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，平行光束將分別被反射不同次。
張角彼此不同并入射到第二反射體全息光柵84c的平行光束組被衍射和反射直至不滿足全反射條件，在光波導(dǎo)83的光出射端口 83a2出射，并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
如果第二反射體全息光柵84c如本實(shí)施例中這樣被設(shè)計(jì)為各部分之間的衍射效率不同，光瞳直徑，即觀看對(duì)象的虛像觀看范圍可增加。
具體地，假設(shè)第二反射體全息光柵84c的衍射效率例如在接近光入射端口 83al的位置84cl中是40%，在遠(yuǎn)離光出射端口 83a2的位置84c2中是70%, 入射到第二反射體全息光柵84c上的第一組平行光束在位置84cl中衍射和反射它的40%,而60°/"皮允許通過(guò)。,皮允許通過(guò)的平行光束組將在光波導(dǎo) 83內(nèi)部全反射并在位置84c2處入射到第二反射體全息光柵84c上。
由于在位置84c2處的衍射效率是70%,入射到第二反射體全息光柵84c 的第一組平行光束的60%被允許通過(guò)。由此，平行光束組的42% (=0.6x0.7=0.42)將在位置84c2中凈皮衍射和反射。通過(guò)如上所述適當(dāng)改變第二反射體全息光柵84c上各個(gè)位置之間的衍射效率，可保持來(lái)自光出射端口 83a2的光量的平衡。因此，通過(guò)增加第二反射體全息光柵84c的記錄干涉帶的面積，可容易地提高虛像觀看范圍。
另外，包括不用作透鏡的第一和第二反射體全息光柵84a和84c，使得虛像顯示裝置80可消除單色偏心像差和衍射色差。 (第六實(shí)施例)
圖22示出作為本發(fā)明的第六實(shí)施例的虛像顯示裝置。該虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)90指代。所述虛像顯示裝置90包括顯示圖像的一圖像顯示元件 91，以及將來(lái)自圖像顯示元件91的入射照明光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述圖像顯示元件91是例如一個(gè)有機(jī)EL (電致發(fā)光)顯示元件、無(wú)機(jī)
EL顯示元件或液晶顯示元件(LCD)等。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)92，光波導(dǎo)93，以及在光波導(dǎo)93上設(shè)置的第一反射體全息光柵94和第二反射體全息光柵95。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)92從圖像顯示元件91的每個(gè)像素接收一入射光束并將該光束形成張角彼此不同的平行光束組。從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)92出射并且張角彼此不同的平行光束組入射到光波導(dǎo)93上。
光波導(dǎo)93是細(xì)長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)，主要包括一光學(xué)表面93a，在所述光學(xué)表面93a的一個(gè)端部設(shè)置一光入射端口 93al，并在另一端部設(shè)置光出射端口 93a2,從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)92出射并且張角彼此不同的平行光束組入射到所述光入射端口 93al上，光^^所述光出射端口 93a2出射；以及與光學(xué)表面93a相對(duì)的一光學(xué)表面93b。
在光波導(dǎo)93的光學(xué)表面93b上，在與光學(xué)表面93a上的光入射端口 93al 相對(duì)的位置設(shè)置第一反射體全息光柵94，在與光學(xué)表面93a上的光出射端口 93a2相對(duì)的位置設(shè)置第二反射體全息光柵95。
稍后將詳細(xì)描述第一和第二反射體全息光4冊(cè)94和95。
來(lái)自光波導(dǎo)93的光入射端口 93al并且張角;f皮此不同的平行光束組入射到上述第一反射體全息光柵94上并如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束組將在被在光波導(dǎo)93的光學(xué)表面93a和93b之間反復(fù)全反射而傳播，并將入射到上述第二反射體全息光柵95上。
設(shè)置光波導(dǎo)93的光學(xué)表面93a和93b之間的長(zhǎng)度和厚度以提供這樣的厚度和這樣足夠的長(zhǎng)度，即，使得張角彼此不同并在光波導(dǎo)93內(nèi)部全反射傳播的平行光束根據(jù)它們的張角全反射不同次直到它們到達(dá)第二反射體全息光4冊(cè)95。
更具體地，入射到光波導(dǎo)93上且朝第二反射體全息光柵95傾斜的平行
射到光波導(dǎo)93上且沒(méi)有朝第二反射體全息光柵95傾斜的平行光束(即，以較小角度入射的平行光束)，這是由于入射到光波導(dǎo)93上的平行光束組具有彼此不同的張角。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射體全息光柵 94上并由此以不同的衍射角投射，它們被以不同角度全反射。由此，當(dāng)光波導(dǎo)93被設(shè)計(jì)為具有足夠長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，平行光束將分別被反射不同次。張角彼此不同并入射到第二反射體全息光柵95的平行光束組被衍射和反射直至不滿足全反射條件，4殳射在光波導(dǎo)93的光出射端口 93a2，并入射到觀看對(duì)象的光瞳19上。
接下來(lái)描述第一和第二反射體全息光柵94和95。
第一反射體全息光柵94的結(jié)構(gòu)(未示出)與圖18所描述的第四實(shí)施例中的第一反射體全息光柵64的結(jié)構(gòu)完全相同。因此，第一反射體全息光柵 94由干涉帶柵距不同的三個(gè)全息層的疊置形成，以便衍射和反射紅、綠、藍(lán) 光。為了獲得更大的張角，每個(gè)全息層由三類(lèi)傾斜角彼此不同并在全息表面上具有相同的柵距的干涉帶的組合形成。
由此，第一反射體全息光柵94可衍射和反射從圖像顯示元件91出射并由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)92準(zhǔn)直至水平張角為大約士10。的平行光束，使得滿足光波導(dǎo)93的全反射條件。
由第一反射體全息光柵94衍射和反射的平行光束組在光波導(dǎo)93內(nèi)部傳播且分別以不同的角度全反射。因此，所述平行光束將以不同角度入射到第二反射體全息光柵95上。
圖23示出由第一反射體全息光柵94衍射和反射、在光波導(dǎo)93內(nèi)部全反射并入射到第二反射體全息光柵95上的平行光束組。根據(jù)如圖23所示的入射位置，所述平行光束組以不同的入射角入射到第二反射體全息光柵95 上。
的次數(shù)較少的平行光束LL，以及以小角度內(nèi)部全反射引導(dǎo)并且其張角使得該光束內(nèi)部全反射的次數(shù)較多的平行光束LS,兩者都入射到第二反射體全息光柵95接近第一反射體全息光柵94的位置上。
注意由圖23中的虛線所指代的平行光束是平行光束LM,所述平行光束 LM以介于以大角度內(nèi)部全反射引導(dǎo)的平行光束LL與以小角度內(nèi)部全反射引導(dǎo)的平行光束L S的角度之間的一角度內(nèi)部全反射引導(dǎo)。
另一方面，主要為以小角度內(nèi)部全反射引導(dǎo)的平行光束LS入射到第二反射體全息光柵95遠(yuǎn)離第一反射體全息光柵94的位置上。
即，入射到第二反射體全息光柵95的每個(gè)位置上的平行光束的入射角將確定至一定范圍。例如，這里假設(shè)第二反射體全息光柵95上記錄均勻衍射和反射以在任何位置(如第一反射體全息光柵94 )上均具有一定范圍的角度入射的平行光束的干涉帶。這有效增加光瞳直徑，不過(guò)如果光瞳具有固定
的直徑，入射到光瞳16上的光的量將減少，提供給觀看對(duì)象的顯示圖像會(huì) 非常暗。
由于這個(gè)原因，基于平行光束的入射角根據(jù)入射位置而變化的現(xiàn)象，設(shè)
計(jì)第二反射體全息光柵95,在上面記錄干涉帶使得以與它的入射位置相關(guān)的角度入射的平行光束將以最大的效率被衍射。
例如，第二反射體全息光4冊(cè)95由全息層95A、 95B和95C的疊置形成，每個(gè)全息層95A、 95B和95C具有如圖24所示的干涉帶。三個(gè)全息層95A、 95B和95C在它上面記錄光柵柵距彼此不同的干涉帶，以分別主要衍射和反射紅、綠、藍(lán)光。
接下來(lái)，將參照?qǐng)D25解釋圖24所示的第二反射體全息光柵95的全息層95C上所記錄的干涉帶。這里將不解釋記錄在全息層95A和95B上的干
記錄它們以外，它們與全息層95C上所記錄的干涉帶類(lèi)似。另外應(yīng)注意，在圖25中，當(dāng)在光波導(dǎo)93上設(shè)置第一反射體全息光柵94時(shí)，全息層95C的接近第一反射體全息光柵94的一側(cè)為"R"側(cè)，與該"R"側(cè)相對(duì)的一側(cè)為"L"側(cè)。
在全息層95C的R側(cè)，為更高效率地衍射以大角度入射的平行光束,傾斜角eR較小的干涉帶95R被記錄到區(qū)域R。同樣，在L側(cè)，為更高效率地
區(qū)域M中。
如上所述干涉帶95R、 95L和95M的傾斜角彼此不同。但是，它們以相同的光柵柵距布置在全息表面95CS上。除非所有干涉帶以相同的光柵柵距
射。到達(dá)觀看對(duì)象的光瞳16的這些平行光束將形成低分辨率的、失焦的圖像。
除了對(duì)于衍射和反射頻帶與主要由全息層95C衍射和反射的平行光束
中，記錄在每個(gè)全息層95A和95B上的干涉帶是角度彼此不同的三類(lèi)干涉帶的組合。
圖25所示的全息層95C上記錄三類(lèi)干涉帶的組合。但應(yīng)注意，如圖26
所示的分別記錄千涉帶95R、 95L和95M的全息元件的疊置提供完全相同的效果。
在圖26所示的全息層95C中，全息層95CR、 95CL和95CM上分別記錄干涉帶95R、 95L和95M，并且全息層95CM疊置在水平放置的全息層 95CR和95CR之間的中間位置。
如上所述，通過(guò)改變記錄在第二反射體全息光柵95中所包括的全息層的每個(gè)區(qū)域R、 L和M上記錄的干涉帶的傾斜角，可根據(jù)入射平行光束入射角實(shí)現(xiàn)最大效率的衍射。由此，下面將以圖27所示的反射體全息光柵96為例解釋具有最大衍射效率的干涉帶的傾斜角。
為便于解釋傾斜角，假設(shè)圖27所示的反射體全息光柵96代替在圖25 所示的虛像顯示裝置卯中的第二反射體全息光柵95,并且依據(jù)反射體全息光柵具有可逆性的現(xiàn)象，上溯光束而從觀看對(duì)象的光瞳16開(kāi)始。即，給出的解釋將基于以下假設(shè)從虛設(shè)(virtuallyprovided)的圖像顯示元件投射的顯示光由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直成水平張角大約士10。的平行光束，并入射到圖27 所示的反射體全息光柵96上。在這種情況中，入射到反射體全息光柵96上的入射光與由第二反射體全息光柵95衍射和反射的光對(duì)應(yīng)，并且由反射體全息光柵96衍射和反射的光與入射到第二反射體全息光柵95上的入射光對(duì) 應(yīng)。
如果水平張角大約士10。的平行光束入射到反射體全息光柵96上，為衍射和反射所有入射光束以滿足光波導(dǎo)93內(nèi)全反射條件，中心張角入射的平行光束Lp以0。入射時(shí)，衍射和反射角必須為55到60°。
即，當(dāng)平行光束Lp以0。入射而衍射和反射角在55到60。的范圍以外時(shí)，以士10。范圍以內(nèi)的除0。角以外的角度入射的部分平行光束將在光波導(dǎo)93內(nèi) 以不滿足全反射條件的角度衍射和反射。
這里假設(shè)在圖27所示的反射體全息光柵96的全息區(qū)域96M中，記錄了以55到60°的角度6k衍射和反射0。角入射到全息區(qū)域96M上的平行光束 Lp的干涉帶。注意衍射和反射的角度0k由圖27所示的坐標(biāo)系定義的投射衍射角所代表。角度9s為120到125°。
入射到記錄有上述干涉帶的全息區(qū)域96M上的入射角6r與投射衍射角
es可由如下方程式(l)給出
sin 6s = sin 6r + X/Ap ....... (1)
其中X為入射平行光束的波長(zhǎng)，而Ap是全息表面上干涉帶的光柵柵距。
另外，如果所記錄干涉帶的光柵柵距Ap滿足方程式(l)，當(dāng)平行光束以
角度er入射并以角度es衍射和反射時(shí)衍射效率最大的干涉帶的傾斜角小o可
基于布拉格(Bragg)條件由如下方程式給出
小0 = (es + 6r)/2 ........ (2)
由于當(dāng)平行光束被干涉帶鏡面反射時(shí)，以角度e入射并以角度es衍射和
反射的平行光束以最大的效率被衍射，所以角度(J)O也由方程式(2)給出。
這里注意為保持反射體全息光柵的光柵衍射效率最大，入射角的許可范圍通常為0士3。，如圖6所示。因此，對(duì)于入射角度大于或小于上述角度的任何平行光束，必須記錄以不同角度傾斜的新的干涉帶以獲得最大效率的衍射和反射。
此時(shí)，記錄的新干涉帶的光柵柵距必須與已有的干涉帶相同。如果干涉帶的光柵柵距改變，當(dāng)相同波長(zhǎng)的平行光束以相同的角度入射時(shí)，投射衍射角會(huì)在各個(gè)干涉帶改變，從而導(dǎo)致分辨率下降。
下面考慮除了記錄在全息區(qū)域96M中的干涉帶以外的記錄到反射體全息光柵96的干涉帶。具體地，々i設(shè)當(dāng)波長(zhǎng)人的平行光束以在士10。左右范圍內(nèi)
的角度ec入射時(shí)，新記錄以角度ec'發(fā)射和衍射的干涉帶。新的干涉帶的光
4冊(cè)柵距應(yīng)與先前記錄在全息區(qū)域96M中的干涉帶的Ap相同。
此時(shí)，才殳射和衍射角9c'為sin ec' = sin 9c + X/Ap: (A7Ap = C),并可由以
下方程式(3聲合出
Qc' = arc sin (sin Qc + C) .........(3)
此時(shí)，衍射效率最大時(shí)的傾斜角(j)c為())c-(ec' + ec)/2，并因此可由以下
方程式(4)給出
小c = {arc sin (sin ec + C) + 9c}/2 ........ (4)
其中C = X/Ap
圖28示出在平行光束以在大約士10。范圍內(nèi)變化的角度ec入射時(shí)，用上述方程式(4)繪出的衍射效率最大的千涉帶的傾斜角小c的變化圖。光柵柵距 Ap可由方程式(l)計(jì)算。在圖28中，虛線A代表當(dāng)以0。的入射角6r和125°
的投射和衍射角es來(lái)確定光柵柵距Ap時(shí)，以角度ec入射的平行光束衍射效
率最大時(shí)的傾斜角(j)c。圖28中的實(shí)線B代表當(dāng)光柵柵距Ap由0。的入射角9r
及120。的投射和衍射角es確定時(shí)，以角度ec入射的平行光束衍射效率最大
時(shí)的傾斜角小C。
如圖28所示，衍射效率最大時(shí)的傾斜角())C在平行光束以負(fù)向
(negative-going)張角入射時(shí)4交大，而在平4亍光束以正向(positive-going)
張角入射時(shí)較小。
如圖27所示為例，當(dāng)傾斜角0c小于記錄在全息區(qū)域96M中的干涉帶的傾斜角的干涉帶以光柵柵距Ap記錄在反射體全息光柵96的全息區(qū)域96R中時(shí)，以正向張角入射的平行光束可以最大效率被衍射。
同樣，當(dāng)傾斜角ec大于記錄在全息區(qū)域96M中的干涉帶的傾斜角的干涉帶以光柵柵距Ap記錄在反射體全息光柵96的全息區(qū)域96L中時(shí)，以負(fù)向張角入射的平行光束可以最大效率凈皮衍射。
因此，圖24所示的虛像顯示裝置90中所包括的第二反射體全息光柵95 可在接近第一反射體全息光柵94的干涉帶的傾斜角減少而遠(yuǎn)離第一反射體全息光柵94的干涉帶的傾斜角增加的情況下，提供非常有效的衍射和反射。由此，作為虛像入射到預(yù)定直徑的光瞳的圖像光光量可顯著增加。
設(shè)置有不用作透鏡的第一和第二反射體全息光柵94和95的虛像顯示裝置90可消除單色偏心像差和衍射色差。
注意盡管第一和第二反射體全息光柵94和95設(shè)置成使它們的全息表面 94S和95S分別平行于光波導(dǎo)93的光學(xué)表面93b,但本發(fā)明并不局限于該幾何結(jié)構(gòu)，而是可以使它們的全息表面94S和95S與光學(xué)表面93b成一預(yù)定角度地布置。
由于如本發(fā)明的第一到第六實(shí)施例已述的虛像光學(xué)裝置中所包括的光波導(dǎo)可設(shè)計(jì)得更細(xì)長(zhǎng)，所以用作HMD (頭戴式顯示器)的該虛像顯示裝置對(duì)配戴HMD的觀看對(duì)象來(lái)說(shuō)不適度顯著降低。
注意盡管前已描述和示出本發(fā)明的第一到第六實(shí)施例分別具有均為細(xì)
長(zhǎng)、平行、扁平的光波導(dǎo)13、 23、 43、 63、 83和93，本發(fā)明并不局限于任何細(xì)長(zhǎng)的光波導(dǎo)，而可以為略微彎曲的光波導(dǎo)，其效果與平行、扁平的光波
導(dǎo)等同。
另外，在前述本發(fā)明的第一到第六實(shí)施例中，為裝置更輕更緊湊，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可由例如反射光學(xué)元件和光學(xué)透鏡的組合形成。將描述本發(fā)明的第七到第十五實(shí)施例，為了提高圖像顯示裝置的分辨率并使整個(gè)裝置更輕更緊湊，其中采用緊湊并且場(chǎng)曲極小的準(zhǔn)直器。
(第七實(shí)施例)
圖29示出作為本發(fā)明的第七實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置
通常由標(biāo)號(hào)100指代。
圖像顯示裝置100包括一照明光源101，反射從照明光源101發(fā)出的照明光并對(duì)光進(jìn)行空間調(diào)制的反射空間光學(xué)調(diào)制器104，以及接受經(jīng)反射空間光學(xué)調(diào)制器104空間調(diào)制的照明光并將其引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述反射空間光學(xué)調(diào)制器104是例如一反射液晶顯示元件等，并且它對(duì) 入射照明光進(jìn)行每像素空間調(diào)制。經(jīng)過(guò)空間調(diào)制的照明光入射在虛像光學(xué)系統(tǒng)上。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，光波導(dǎo)120，以及在光波導(dǎo) 120上設(shè)置的第一和第二反射全息元件123和124。
第一和第二反射全息元件123和124的i殳計(jì)與例如圖5、 6和7中所示的第一和第二反射體全息光柵14和15類(lèi)似。
注意第一和第二反射全息元件123和124的結(jié)構(gòu)可與例如圖8、 9和10 中所示的第一和第二反射體全息光柵24和25類(lèi)似。它們的結(jié)構(gòu)也可與圖11 、 12和13中所示的第一和第二反射體全息光柵44和45類(lèi)似。另外，它們的結(jié)構(gòu)還可與圖14、 15和16中所示的第一和第二反射體全息光柵64和65類(lèi) 似。同樣，它們的結(jié)構(gòu)還可與圖20、 21和24所示的第一和第二反射體全息光柵94、 95的96類(lèi)似。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括作為反射光學(xué)元件反射來(lái)自反射空間光學(xué)調(diào)制器104的光的一非球面凹面鏡107，作為光學(xué)透鏡折射來(lái)自非球面凹面鏡107 的光的非球面光學(xué)透鏡108,位于反射空間光學(xué)調(diào)制器104和非球面凹面鏡 107之間的偏振光分束器(polarizing beam splitter PBS ) 110，以及位于偏振光分束器110與非球面凹面鏡107之間的四分之一波片105。該準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將在反射空間光學(xué)調(diào)制器104的反射面上的任意位置反射的光4殳射為自非球面光學(xué)透鏡108射出的平行光束組。
所述偏振光分束器110包括由聚合物膜形成的偏振選擇反射表面103, 其作為偏振光選擇器用以允許P偏振光通過(guò)并反射S偏振光。
照明光源101、反射空間光學(xué)調(diào)制器104、非球面凹面鏡107和非球面光學(xué)透鏡108分別位于偏振光分束器IIO的四個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接
觸。在照明光源101和偏振光分束器110之間提供偏振片102。
從照明光源101出射的照明光由偏振片102檢為S偏振光而射向偏振光分束器110的偏振選擇反射表面103,并且該光的大部分被偏振選擇反射表面103反射。由此被反射的該照明光照明反射空間光學(xué)調(diào)制器104，在所述反射空間光學(xué)調(diào)制器104會(huì)以原有的入射偏振方向或以旋轉(zhuǎn)90。的入射偏振方向反射。
如果已經(jīng)以原有的偏振方向反射照明光，它會(huì)在偏振選擇反射表面103 上被再次反射并返回照明光源101。另一方面，偏振方向被旋轉(zhuǎn)卯。并成為P 偏振光射向偏振選擇反射表面103的光經(jīng)過(guò)偏振選4奪反射表面103并^皮非球面凹面4竟107反射。
在這種情況中，在非球面凹面鏡107和偏振光分束器IIO之間設(shè)置四分之一波片105,以將由非球面凹面鏡107所反射的光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。，并且所述光作為S偏振光再次入射到偏振選4奪反射表面103上。由此該光在該偏振選擇反射表面103上被反射。光從偏振光分束器110出射并通過(guò)非球面光學(xué)透鏡108入射到光波導(dǎo)120上。
為在光波導(dǎo)120內(nèi)進(jìn)行全反射，入射到光波導(dǎo)120上的光被第一反射全息元件123衍射并反射，并全反射而傳播通過(guò)光波導(dǎo)120。光由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124衍射并反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo) 120出射而入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
此時(shí)，從反射空間光學(xué)調(diào)制器104出射的發(fā)散光由于組合使用非球面凹面鏡107和非球面光學(xué)透鏡108而形成場(chǎng)曲非常小的平行光束組。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置100包括反射空間光學(xué)調(diào)制器104，將從反射空間光學(xué)調(diào)制器104反射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)在波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)由作為反射光學(xué)元件的非球面凹面鏡107與作為光學(xué)透鏡的非球面光學(xué)透鏡108的組合形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。
(第八實(shí)施例)
圖30示出作為本發(fā)明的第八實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)130指代。所述圖像顯示裝置130包括顯示圖像的一照明光源
101,通過(guò)對(duì)從照明光源101發(fā)出的照明光進(jìn)行每像素調(diào)制而顯示圖像的作
為圖像顯示元件的透射液晶圖像顯示元件134,以及接收由透射液晶圖像顯示元件134空間調(diào)制的照明光并將其引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
透射液晶圖像顯示元件134是對(duì)入射照明光進(jìn)行每像素空間調(diào)制的例如透射液晶圖像顯示元件等。被空間調(diào)制的照明光將入射到虛像光學(xué)系統(tǒng)上。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，光波導(dǎo)120，以及在光波導(dǎo) 120上設(shè)置的第一和第二反射全息元件123和124。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括作為第一反射光學(xué)元件反射從透射液晶圖像顯示元件134出射的光的一平面鏡139,作為第二透射光學(xué)元件再次反射由平面鏡139反射的光的非球面凹面鏡107，作為光學(xué)透鏡折射由非球面凹面鏡 107反射的光的非球面光學(xué)透鏡108,在平面鏡139與非球面凹面鏡107之間設(shè)置的偏振光分束器110，在平面鏡139與偏振光分束器110之間設(shè)置的第一四分之一波片135,以及在偏振光分束器110與非球面凹面鏡107之間設(shè)置的第二四分之一波片136。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將從透射液晶圖像顯示元件134 的圖像顯示表面上的任意位置出射的光投射為自非球面光學(xué)透鏡108射出的一組平4于光束。
透射液晶圖像顯示元件134、平面鏡139、非球面凹面鏡107和非球面光學(xué)透鏡108分別位于偏振光分束器110的四個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接觸。在透射液晶圖像顯示元件134與偏振光分束器110之間設(shè)置一光波導(dǎo) 120。
從照明光源101發(fā)出的照明光照明透射液晶圖像顯示元件134，從透射液晶圖像顯示元件134出射的光由偏振片102檢為S偏振光而射向偏振光分束器110的偏振選擇反射表面103。該S偏振光的大部分被偏振選擇反射表面103反射。
被反射的照明光被與第一四分之一波片135緊密接觸的平面鏡139再次反射，并再次入射到偏振選擇反射表面103上。此時(shí)，由于該照明光已被第一四分之一波片135轉(zhuǎn)換成P偏振光，它會(huì)通過(guò)偏振選擇反射表面103并#皮非5求面凹面4竟107反射。
在這種情況中，在非球面凹面鏡107與偏振光分束器110之間設(shè)置第二四分之一波片136，其使被非球面凹面鏡107反射的光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。，并且該光成為S偏振光而再次入射在偏振選擇反射表面103上。由此該光在該偏振選擇反射表面103上被反射。該光^皮從偏振光分束器110出射并通過(guò)
非球面光學(xué)透鏡108入射到光波導(dǎo)120上。
為在光波導(dǎo)120內(nèi)進(jìn)行全反射，入射到光波導(dǎo)120的光被第一反射全息元件123衍射并反射，并全反射而傳播通過(guò)光波導(dǎo)120。該光由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124衍射并反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo) 120投射而入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
此時(shí)，從透射液晶圖像顯示元件134出射的發(fā)散光被非球面凹面鏡107 和非球面光學(xué)透鏡108的組合形成場(chǎng)曲非常小的平行光束組。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置130包括作為圖像顯示元件的透射液晶圖像顯示元件134，將從透射液晶圖像顯示元件134出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)在波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)由作為反射光學(xué)元件的非球面凹面鏡107與作為光學(xué)透鏡的非球面光學(xué)透鏡108的組合而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。 (第九實(shí)施例)
圖31示出作為本發(fā)明的第九實(shí)施例的虛像顯示裝置。該虛像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)140指代。所述虛像顯示裝置140包括顯示圖像的一圖像顯示元件144，以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述圖像顯示元件144是例如一個(gè)有機(jī)EL (電致發(fā)光)顯示元件、無(wú) 機(jī)EL顯示元件或液晶顯示元件(LCD)等。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué) 系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)150，在光波導(dǎo)150的一個(gè)端部設(shè)置的反射鏡153，以及在另一端部設(shè)置并互相平行的一組半透明鏡(translucent mirror) 154。虛像光學(xué)系統(tǒng)在它的內(nèi)部全反射入射的平行光束組，然后將全反射的平行光束組投射到外部。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括作為反射光學(xué)元件反射來(lái)自圖像顯示元件144 的光的一非球面凹面鏡107,作為光學(xué)透鏡折射來(lái)自非球面凹面鏡107的光的非球面光學(xué)透鏡108，位于圖像顯示元件144與非球面凹面鏡107之間的
偏振光分束器110 (PBS),以及位于偏振光分束器110與非球面凹面鏡107 之間的一四分之一波片105。該準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將來(lái)自圖像顯示元件144的反射表面上任意位置的光投射為自非球面光學(xué)透鏡108射出的平行光束組。
圖像顯示元件144、非球面凹面鏡107和非球面光學(xué)透鏡108分別位于偏振光分束器110的三個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接觸。在圖像顯示元件 144與偏振光分束器110之間提供偏振片102。
從圖像顯示元件144出射的光被偏振片102檢為P偏振光而射向偏振光分束器110的偏振選擇反射表面103。該P(yáng)偏振光的大部分^皮偏振選擇反射表面103允許通過(guò)。通過(guò)的光被與四分之一波片105緊密接觸的非球面凹面鏡107反射并再次入射到偏振選擇反射表面103上。此時(shí)，由于該光已^皮四分之一波片105轉(zhuǎn)換成S偏振光，所以它凈皮偏振選擇反射表面103反射。該光從偏振光分束器110出射并通過(guò)非球面光學(xué)透鏡108入射到光波導(dǎo)150上。
入射到光波導(dǎo)150上的光被反射鏡153反射而在光波導(dǎo)150內(nèi)部全反射，并在被在光波導(dǎo)150內(nèi)部全反射傳播。然后，它由在另一端部設(shè)置并互相平行的一組半透明鏡154反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)150出射并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
此時(shí)，從圖像顯示元件144出射的發(fā)散光由于組合使用非球面凹面鏡 107和非球面光學(xué)透鏡108而形成場(chǎng)曲非常小的平行光束組。
根據(jù)本發(fā)明的虛像顯示裝置140包括一圖像顯示元件144，將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)在波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)由作為反射光學(xué)元件的非球面凹面鏡107與作為光學(xué)透鏡的非球面光學(xué)透鏡108的組合而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。 (第十實(shí)施例)
圖32示出作為本發(fā)明的第十實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)160指代。所述圖像顯示裝置160包括顯示圖像的一圖像顯示元件144，以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的虛《象光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué) 系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)120,以及在光波導(dǎo)120上設(shè)置的第一和第二反射全息元
件123和124。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括作為反射光學(xué)元件反射來(lái)自圖像顯示元件144 的光的一非球面凹面鏡107,作為光學(xué)透鏡折射來(lái)自非球面凹面鏡107的光的非球面光學(xué)透鏡108,位于圖像顯示元件144與非球面凹面鏡107之間的偏振光分束器110,以及位于偏振光分束器110與非球面凹面鏡107之間的一四分之一波片105。該準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將從圖像顯示元件144的反射表面上任意位置投射的光投射為自非球面光學(xué)透鏡108射出的平行光束組。
圖像顯示元件144、非球面凹面鏡107和非球面光學(xué)透鏡108分別位于偏振光分束器110的三個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接觸。在圖像顯示元件 144與偏振光分束器110之間提供偏振片102。
從圖像顯示元件144出射的光被偏振片102才全為P偏振光而射向偏振光分束器110的偏振選擇反射表面103。該P(yáng)偏振光的大部分被偏振選擇反射表面103允許通過(guò)。通過(guò)的光被與四分之一波片105緊密接觸的非球面凹面鏡107反射，并再次入射到偏振選擇反射表面103上。此時(shí)，由于該光已被四分之一波片105轉(zhuǎn)換成S偏振光，所以它被偏振選擇反射表面103反射。該光通過(guò)非球面光學(xué)透4竟108入射到光波導(dǎo)120上。
入射到光波導(dǎo)120上的光被第一反射全息元件123反射而在光波導(dǎo)120 內(nèi)部全反射，并在光波導(dǎo)120內(nèi)部全反射傳播。然后，它由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)120投射并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
此時(shí)，從圖像顯示元件144出射的發(fā)散光由于組合使用非球面凹面鏡 107和非球面光學(xué)透鏡108而形成場(chǎng)曲非常小的平行光束組。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置160包括一圖像顯示元件144,將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)在波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)由作為反射光學(xué)元件的非球面凹面鏡107與作為光學(xué)透鏡的非球面光學(xué)透鏡108的組合而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非
常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。 (第十一實(shí)施例)
圖33示出作為本發(fā)明的第十一實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)170指代。所述圖像顯示裝置170包括顯示圖像的一圖像顯示元件144,以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué) 系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)150，在光波導(dǎo)150的一個(gè)端部設(shè)置的反射鏡153，以及在另一端部設(shè)置并互相平行的一組半透明鏡154。虛像光學(xué)系統(tǒng)在它的內(nèi)部全反射入射的平行光束組，然后將全反射的平行光束組投射到外部。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)全反射面的棱鏡180。所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是將從圖像顯示元件144的圖像顯示表面上的任意位置投射的光投射為平行光束組的光學(xué)系統(tǒng)。
所述棱鏡180包括在來(lái)自圖像顯示元件144的顯示光入射的光入射側(cè) 設(shè)置并且沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的第一光學(xué)表面181;在光出射側(cè)設(shè)置并且用于內(nèi) 部全反射和折射的第二光學(xué)表面182;以及作為第三光學(xué)表面的用于全反射的鋁制反射表面183。
從圖像顯示元件144出射的光束首先入射到由沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的光學(xué)表面形成的棱鏡180上、第一光學(xué)表面181上。入射到棱鏡180內(nèi)的光束在第二光學(xué)表面182上內(nèi)部反射，然后在鋁制反射表面183上反射，并再次入射到第二光學(xué)表面182上。此時(shí)，入射光束不滿足內(nèi)部全反射條件，因此它會(huì) 被折射并通過(guò)第二光學(xué)表面182而入射到光波導(dǎo)120上。
入射到光波導(dǎo)150上的光被反射鏡153反射以在光波導(dǎo)150內(nèi)部全反射，并在光波導(dǎo)150內(nèi)部全反射傳播。然后，它由在另一端部設(shè)置并互相平行的一組半透明鏡154反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)150出射并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
此時(shí)，從圖像顯示元件144出射的發(fā)散光被作為反射表面的第二光學(xué)表面182和鋁制反射表面183以及作為折射表面的第一和第二光學(xué)表面181和 182的組合形成場(chǎng)曲非常小的平行光束組。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置170包括一圖像顯示元件144,將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)組合作為反射光學(xué)元件的鋁制反射表面183與作為光學(xué)透鏡的第一和第二光學(xué)表面181 和182而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。
另外，根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置170,通過(guò)在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中提供具
有至少一個(gè)全反射面的棱鏡180，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)得更短、更緊湊，并且圖像顯示裝置170本身也可設(shè)計(jì)得更緊湊。 (第十二實(shí)施例)
圖34示出作為本發(fā)明的第十二實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)190指代。
所述圖像顯示裝置190包括顯示圖像的一圖像顯示元件144,以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué) 系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)120，以及在光波導(dǎo)120上設(shè)置的第一和第二反射全息元件123和124。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)全反射面的棱鏡200,以及一光學(xué)透鏡191。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是將從圖像顯示元件144的圖像顯示表面上的任意位置投射的光投射為平行光束組的光學(xué)系統(tǒng)。
所述光學(xué)透鏡191具有設(shè)置于棱鏡200的第一光學(xué)表面192以及設(shè)置于光波導(dǎo)120的第二光學(xué)表面193。
所述棱鏡200包括在來(lái)自圖像顯示元件144的顯示光所入射上的光入射側(cè)設(shè)置并且沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的第一光學(xué)表面201;在光出射側(cè)設(shè)置并且沒(méi) 有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的第二光學(xué)表面202;以及作為第三光學(xué)表面的用于全反射的鋁制反射表面203。
從圖像顯示元件144出射的光束入射到由沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的光學(xué)表面形成的棱鏡200上、在第一光學(xué)表面201上。入射到棱鏡200內(nèi)的光束在虛像顯示裝置202上被反射，然后折射并通過(guò)第二光學(xué)表面202并通過(guò)光學(xué)透鏡 191的第一和第二光學(xué)表面192和193入射到光波導(dǎo)120上。
入射到光波導(dǎo)120上的光被第一反射全息元件123反射而以在光波導(dǎo) 120內(nèi)部全反射，并在光波導(dǎo)120內(nèi)部全反射傳播。然后，它由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)120投射并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
此時(shí)，從圖像顯示元件144出射的發(fā)散光被鋁涂層反射表面203和作為折射表面的第一和第二光學(xué)表面201和202以及光學(xué)透鏡191的第一和第二
光學(xué)表面192和193的組合形成場(chǎng)曲非常小的平行光束組。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置190包括一圖像顯示元件144，將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)組合作為反射光學(xué)元件的鋁制反射表面203及作為光學(xué)透鏡的第一和第二光學(xué)表面 201和202以及光學(xué)透鏡191而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。
另夕卜，通過(guò)在根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置190的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中提供具有至少一個(gè)全反射面的棱鏡200,準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)得更短、更緊湊，圖像顯示裝置190本身也可設(shè)計(jì)得更緊湊。 (第十三實(shí)施例)
圖35示出作為本發(fā)明的第十三實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)210指代。
所述圖像顯示裝置210包括顯示圖像的一圖像顯示元件144，以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)120,以及在光波導(dǎo)120上設(shè)置的第一和第二反射全息元件123和124。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)全反射面的三角棱鏡220，位于圖像顯示元件144與三角棱鏡220之間的第一光學(xué)透鏡211，以及位于三角棱鏡220與光波導(dǎo)120之間的第二光學(xué)透鏡212。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是將從圖像顯示元件144的圖像顯示表面上的任意位置投射的光投射為平行光束組的光學(xué)系統(tǒng)。
所述三角棱鏡220具有在來(lái)自圖像顯示元件144的顯示光入射的光入射側(cè)設(shè)置并且沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的第一光學(xué)表面221，作為第二光學(xué)表面全反射所述光束的反射表面222，以及在光的出射側(cè)設(shè)置的第三光學(xué)表面223。
從圖像顯示元件144出射的光束首先通過(guò)第一光學(xué)透鏡211入射到由面所限定的三角棱鏡220上、在第一光學(xué)表面221上。入射到三角棱鏡220內(nèi) 的光束在反射表面222上被反射，然后通過(guò)第三光學(xué)表面223，并通過(guò)第二
光學(xué)透鏡212入射到光波導(dǎo)120上。
入射到光波導(dǎo)120上的光被第一反射全息元件123反射以在光波導(dǎo)120 內(nèi)部全反射，并在光波導(dǎo)120內(nèi)部全反射傳播。然后，該光束由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)120投射并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置210包括一圖像顯示元件144，將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)組合作為反射光學(xué)元件的反射表面222與作為光學(xué)透鏡的第一和第三光學(xué)表面221和 223以及第一和第二光學(xué)透鏡211和212而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。
另外，通過(guò)在根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置210的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中提供具有至少一個(gè)全反射面的三角棱鏡220,準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)得更短、更緊湊，圖像顯示裝置210本身也可設(shè)計(jì)得更緊湊。 (第十四實(shí)施例)
圖36示出作為本發(fā)明的第十四實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)230指代。
所述圖像顯示裝置230包括顯示圖像的一圖像顯示元件144，以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所述虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué) 系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)120，以及在光波導(dǎo)120上設(shè)置的第一和第二反射全息元件123和124。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括全反射入射光束的一平面鏡235，位于圖像顯示元件144與平面鏡235之間的第一和第二光學(xué)透鏡231和232，以及位于平面鏡235與光波導(dǎo)120之間的第三光學(xué)透鏡233。
從圖像顯示元件144出射的光束經(jīng)過(guò)第一和第二光學(xué)透鏡231和232，被平面鏡235反射，然后通過(guò)第三光學(xué)透鏡233入射到光波導(dǎo)120上。
入射到光波導(dǎo)120上的光束被第一反射全息元件123反射以在光波導(dǎo) 120內(nèi)部全反射，并在光波導(dǎo)120內(nèi)部全反射傳播。然后，所述光束由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)
120投射并入射到觀看對(duì)象的光瞳16上。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置230包括一圖像顯示元件144，將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)組合作為反射光學(xué)元件的平面鏡235與第一到第三光學(xué)表面231、 232和233而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。
另外，通過(guò)在根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置230的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中提供具有至少一個(gè)全反射面的平面鏡235，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)得更短、更緊湊，圖像顯示裝置230本身也可設(shè)計(jì)得更緊湊。 (第十五實(shí)施例)
圖37示出作為本發(fā)明的第十五實(shí)施例的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置通常由標(biāo)號(hào)240指代。
所述圖像顯示裝置240包括顯示圖像的一圖像顯示元件144，以及將顯示在圖像顯示元件144上的入射顯示光引導(dǎo)到觀看對(duì)象的光瞳16的一虛像光學(xué)系統(tǒng)。
所迷虛像光學(xué)系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。所述波導(dǎo)光學(xué) 系統(tǒng)包括一光波導(dǎo)120，以及在光波導(dǎo)120上設(shè)置的第一和第二反射全息元件123和124。
所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)全反射面的三角棱鏡250，位于圖像顯示元件144與三角棱鏡250之間的第一光學(xué)元件241，以及位于三角棱鏡250與光波導(dǎo)120之間的第二光學(xué)元件242。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是將從圖像顯示元件144的圖像顯示表面上的任意位置投射的光投射為平行光束組的光學(xué)系統(tǒng)。
所述三角棱鏡250具有在來(lái)自圖像顯示元件144的顯示光入射的光入射側(cè)設(shè)置的第一光學(xué)表面251;在光出射側(cè)設(shè)置并且用于內(nèi)部全反射和折射的第二光學(xué)表面252;以及作為第三光學(xué)表面的全反射所述光束的鋁涂層反射表面253。
從圖像顯示元件144出射的光束經(jīng)過(guò)第一光學(xué)元件241,并首先通過(guò)第一光學(xué)透鏡241入射到由平面所限定的三角棱鏡250上、在第一光學(xué)表面251
上。入射到三角棱鏡250內(nèi)的光束被在作為內(nèi)部全反射面的第二光學(xué)表面
252上反射，然后被鋁涂層反射表面253再次反射。所反射的光再次入射到第二光學(xué)表面252上。但是，此時(shí)所反射的光不滿足全反射條件。因此，它通過(guò)第二光學(xué)表面252然后通過(guò)第二光學(xué)透鏡242入射到光波導(dǎo)120上。
入射到光波導(dǎo)120上的光束被第一反射全息元件123衍射和反射以在光波導(dǎo)120內(nèi)部全反射，并在光波導(dǎo)120內(nèi)部全反射傳播。然后，所述光束由在另一端部設(shè)置的第二反射全息元件124反射直至不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)120才殳射并入射到》見(jiàn)看對(duì)象的光瞳16上。
根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置240包括一圖像顯示元件144,將從圖像顯示元件144出射的光形成平行光束組的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，以及通過(guò)內(nèi)部全反射并引導(dǎo)從準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射的平行光束組的波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)組合作為反射光學(xué)元件的鋁涂層反射表面253與作為光學(xué)透鏡的第一和第二光學(xué)表面 251和252以及第一和第二光學(xué)透鏡241和242而形成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可使得準(zhǔn)直器緊湊并且其場(chǎng)曲非常小，以提高圖像顯示裝置的圖像分辨率并使整個(gè)裝置更輕、更緊湊。
另夕卜，通過(guò)在根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置240的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中提供具有至少一個(gè)全反射面的三角棱鏡250,準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)得更短、更緊湊，圖像顯示裝置240本身也可設(shè)計(jì)得更緊湊。
如前所述，參照附圖4艮據(jù)本發(fā)明作為例子的特定優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在不不滿足本發(fā)明所附權(quán)利要求所闡釋和限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例而是可以各種方式修改，以替代方式構(gòu)造或以各種其它形式實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種圖像顯示裝置，包括一光源；反射從所述光源發(fā)出的光束的一反射空間光學(xué)調(diào)制器；反射從所述反射空間光學(xué)調(diào)制器所反射的光的一反射光學(xué)元件；折射從所述反射光學(xué)元件反射的光的一光學(xué)透鏡；一四分之一波片；一偏振光分束器；以及一光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)透鏡將從所述反射空間調(diào)制器的反射表面上的任意位置處反射的光投射為平行光束組；在所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射平行光束組然后將所述平行光束組射出；所述光源、反射空間光學(xué)調(diào)制器、反射光學(xué)元件以及光學(xué)透鏡分別位于所述偏振光分束器的四個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接觸；以及所述四分之一波片位于所述反射光學(xué)元件與偏振光分束器之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示裝置，其中，所述反射光學(xué)元件為一凹面4竟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示裝置，其中，所述偏振光分束器包括一聚合物膜，作為偏振選擇裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件包括一全息元件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件具有不平行于所述光波導(dǎo)的全反射表面的多個(gè)反射表面。
6. —種圖像顯示裝置，包括一圖像顯示元件；反射由所述光源發(fā)出的光束的一第一反射光學(xué)元件；再次反射從所述第一反射光學(xué)元件反射的光的一第二反射光學(xué)元件；折射從所述第二反射光學(xué)元件反射的光的一光學(xué)透鏡；兩個(gè)四分之一波片；一偏振光分束器；以及一光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)透鏡檢測(cè)來(lái)自所述圖像顯示元件的圖像顯示表面上的任意位置的作為平行光束組的光；在所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射平行光束組然后將其射出；所述光源、第一和第二反射光學(xué)元件以及光學(xué)透鏡分別位于所述偏振光分束器的四個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接觸；以及所述四分之一波片分別位于所述第一反射光學(xué)元件與偏振光分束器之間以及所述第二反射光學(xué)元件與偏振光分束器之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其中，所述第一和第二反射光學(xué)元件中任一元件為一平面鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其中，所述第一和第二反射光學(xué)元件中任一元件為一凹面鏡。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其中，所述偏振光分束器包括一聚合物膜，作為偏振選擇裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件包括一全息元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件具有不平行于所述光波導(dǎo)的全反射表面的多個(gè)反射表面。
12. —種圖像顯示裝置，包括一圖像顯示元件；反射從所述圖像顯示元件反射的光的一反射光學(xué)元件；折射從所述反射光學(xué)元件反射的光的一光學(xué)透鏡；一四分之一波片；一偏振光分束器；以及一光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)透鏡將從所述反射空間調(diào)制器的反射表面上的任意位置反射的光投射為平行光束組；在所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部全反射平行光束組然后將其才殳射；所述圖像顯示元件、反射光學(xué)元件以及光學(xué)透鏡分別位于所述偏振光分束器的三個(gè)光學(xué)表面附近或與其緊密接觸；以及所述四分之一波片位于所述反射光學(xué)元件與偏振光分束器之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像顯示裝置，其中，所述反射光學(xué)元件為一凹面4竟。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像顯示裝置，其中，所述偏振光分束器包括一聚合物膜，作為偏振選擇裝置。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件包括一全息元件。
16. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件具有不平行于所述光波導(dǎo)的全反射表面的多個(gè)反射表面。
17. —種圖像顯示裝置，包括一圖像顯示元件；以及準(zhǔn)直從所述圖像顯示元件發(fā)出的光的一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)；內(nèi)部全反射來(lái)自所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的平行光束組然后將其射出的一光導(dǎo)光學(xué)元件，所述準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)全反射表面的一棱鏡。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像顯示裝置，其中，所述棱鏡具有用于全反射和折射的一光學(xué)表面，以及沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的一光學(xué)表面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件包括一全息元件。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像顯示裝置，其中，所述光導(dǎo)光學(xué)元件具有不平行于所述光波導(dǎo)的全反射表面的多個(gè)反射表面。
全文摘要
一種虛像顯示裝置，其通過(guò)一虛光學(xué)系統(tǒng)顯示二維圖像，以便觀看對(duì)象觀看所成的放大的虛像。該裝置包括光波導(dǎo)片(13)，用于內(nèi)部全反射滿足全反射條件的平行光束組并引導(dǎo)光；第一反射體全息光柵(14)，用于衍射和反射入射到光波導(dǎo)片上并且在不同方向上傳播的平行光束組，使之滿足全反射條件并保持為平行光束組；和第二反射體全息光柵(15)，用于衍射和反射已在光波導(dǎo)片內(nèi)部全反射并引導(dǎo)的平行光束組，使得當(dāng)光從光波導(dǎo)片中出射時(shí)不滿足全反射條件。由光波導(dǎo)片內(nèi)部全反射并引導(dǎo)的平行光束組中的一部分在入射到光波導(dǎo)片到從光波導(dǎo)片出射期間內(nèi)全反射不同次。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101174028SQ20071019666
公開(kāi)日2008年5月7日申請(qǐng)日期2005年3月28日優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者武川洋, 阿久津克之申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社

完整全部詳細(xì)技術(shù)資料下載