專利名稱：光學(xué)設(shè)備，以及虛擬圖像顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將顯像光引導(dǎo)入觀察者瞳孔的薄型光學(xué)設(shè)備，以及一種虛擬圖像顯示器，它包括上述光學(xué)設(shè)備并且將二維圖像作為由虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)放大了的虛擬圖像顯示給觀察者。
背景技術(shù)：
為了將二維圖像作為由虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)放大了的虛擬圖像顯示給觀察者，已知的有一種虛擬圖像顯示器，如圖1所示，總的由標號100表示。該虛擬圖像顯示器100使用從全息光學(xué)元件中挑選出的反射型體積全息光柵。
如圖1所示，虛擬圖像顯示器100包括圖像顯示元件111以顯示圖像，以及虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)以接收圖像顯示元件111上顯示的顯像光并將其引導(dǎo)入觀察者的瞳孔116。
虛擬圖像顯示元件111是例如有機EL(場致發(fā)光)顯示器、無機EL顯示器、液晶顯示器(LCD)或類似物。
按照圖示，虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)包括準直光學(xué)系統(tǒng)121、光學(xué)波導(dǎo)122以及在光學(xué)波導(dǎo)122上設(shè)置的第一和第二反射型體積全息光柵123和124。
準直光學(xué)系統(tǒng)121用于接收由圖像顯示元件111的像素發(fā)出的光束，并將所接收的光束形成為彼此視角不同的平行光束組。由準直光學(xué)系統(tǒng)121發(fā)出的彼此視角不同的平行光束組入射至光學(xué)波導(dǎo)122。
光學(xué)波導(dǎo)122是薄型平行平面波導(dǎo)，包括作為其主表面的光學(xué)表面122c以及與光學(xué)表面122c相對的光學(xué)表面122d，光學(xué)表面122c具有設(shè)置在其一個端面上的光入射口122a以接收從準直光學(xué)系統(tǒng)121而來的彼此視角不同的平行光束組，以及設(shè)置在其另一端面上的光出射口122b用于允許光束射出。
光學(xué)波導(dǎo)122的光學(xué)表面122d具有設(shè)置在光學(xué)表面122c的光入射口122a對面位置的第一反射型體積全息光柵123，以及設(shè)置在光學(xué)表面122c的光出射口122b對面位置的第二反射型體積全息光柵124。
圖2是其上記錄有干擾帶的第二反射型體積全息光柵124的截面圖。如圖2所示，第二反射型體積全息光柵124具有若干組干涉條紋，每組包括以相同間距并排記錄在其全息表面124S上的具有諸如不同傾斜角的三種類型的干涉條紋124a、124b和124c。使用記錄在第二反射型體積全息光柵124中彼此傾斜角不同的三種類型的干涉條紋124a、124b和124c，將要被衍射的光束以更大的角度入射至第二反射型體積全息光柵124。在第二反射型體積全息光柵124上，分別傾斜為角度θa、θb和θc的三種類型的干涉條紋124a、124b和124c以相同間距(即無視它們相對位置的等間距)被記錄。第一反射型體積全息光柵123相對于垂直于光學(xué)表面的平面對稱于第二反射型體積全息光柵124而形成。此外，第一和第二反射型體積全息光柵123和124被放置在光學(xué)波導(dǎo)122的光學(xué)表面122d上，以使它們的干涉條紋相對于垂直于光學(xué)表面122d的平面而互相對稱。
入射至光學(xué)波導(dǎo)122的光入射口122a并且彼此視角不同的平行光束組被入射至第一反射型體積全息光柵123，并以此被衍射及反射。衍射及反射后的平行光束組將通過在光學(xué)波導(dǎo)122的光學(xué)表面122c和122d之間反復(fù)的全反射來傳播，并被入射至第二反射型體積全息光柵124。
光學(xué)波導(dǎo)122被設(shè)計為設(shè)置具有足夠長度和厚度(光學(xué)表面122c和122d之間的距離)光通路，以使視角不同的通過光學(xué)波導(dǎo)122的全反射來傳播的平行光束組能分別獲得不同次數(shù)的全反射(取決于它們的視角)直到它們到達第二反射型體積全息光柵124。
更詳細地，入射至光學(xué)波導(dǎo)122的平行光束組中傾斜入射于第二反射型體積全息光柵124(即，以大角度入射)的平行光束與那些不是那么傾斜入射于第二反射型體積全息光柵124(即，以小角度入射)的平行光束相比，將被反射較少的次數(shù)，因為入射至光學(xué)波導(dǎo)122的平行光束組是彼此視角不同的。也就是說，因為組的平行光束分別以不同角度入射至第一反射型體積全息光柵123，它們將分別以不同角度被衍射出來，并因此分別以不同角度被全反射。因此，光學(xué)波導(dǎo)122可被設(shè)計為足夠薄且長的，以便平行光束被全反射不同的次數(shù)。
視角不同且入射至第二反射型體積全息光柵124的平行光束被衍射及反射以使它們不會受到全反射，并將被允許從光學(xué)波導(dǎo)122的光出射口122b射出，并被入射至觀察者的瞳孔116。
如上所述，第二反射型體積全息光柵124被放置在光學(xué)波導(dǎo)122的光學(xué)表面122d上，以使其上的干涉條紋相對于垂直于光學(xué)表面的平面與記錄在第一反射型體積全息光柵123上的干涉條紋相對稱。這樣，因為由第二反射型體積全息光柵124反射的平行光束組將以與入射至第一反射型體積全息光柵123的角度相同的角度進行反射，這樣圖像將以高分辨率且不會模糊地顯示在瞳孔116中。
由于包括不作為任何透鏡而工作的第一和第二反射型體積全息光柵123和124，虛擬圖像顯示器100可以顯示出具有較少或沒有單色偏心象差和衍射色彩象差的圖像。

發(fā)明內(nèi)容
然而，虛擬圖像顯示器100過去一直引起色彩和亮度的很大不均衡。也就是說，雖然全息層被堆疊在一起并且每個組中的傾斜的干涉條紋是并排放置在全息層中的，虛擬圖像顯示器100的第一和第二反射型體積全息光柵123和124的干涉條紋的傾斜角被固定在一個全息平面中。
在該情況中，因為彼此視角不同的光束以不同角度入射至全息層以使在全息圖不同位置上符合布拉格(Bragg)條件的衍射波在長度上相互不同，如圖3所示。在不同位置上反射的光束B91、B92和B93將分別以不同效率被衍射。
也就是說，假設(shè)如圖4所示入射至全息層的光源波長譜具有固定頻帶，以最高效率衍射的波長根據(jù)其視角而發(fā)生改變，這樣圖像也將根據(jù)顯示屏位置在色彩上發(fā)生改變。也就是說，圖4中的波長S91、S92和S93分別在圖3中位置B91、B92和B93上以最高效率衍射。這樣，假設(shè)光源波長譜具有固定頻帶，色彩可能根據(jù)顯示屏的位置而發(fā)生改變。同樣，假設(shè)入射至全息層的光波長為短，衍射效率可能根據(jù)視角而發(fā)生改變，且亮度將可能不均衡。
專利文獻1專利申請No.8-507879的PCT國際公布的已公布日文譯文專利文獻2日本專利待公開No.2002-162598因此需要通過設(shè)置一種能夠進行較少的因為視角而產(chǎn)生的色彩和亮度不均衡的圖像顯示的光學(xué)設(shè)備和虛擬圖像顯示器來克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，根據(jù)本發(fā)明的實施例，設(shè)置一種光學(xué)設(shè)備，包括光學(xué)波導(dǎo)，彼此傳播方向不同的平行光束組入射至該光學(xué)波導(dǎo)，且經(jīng)由反復(fù)全反射來傳播通過該光學(xué)波導(dǎo)的平行光束組從該光學(xué)波導(dǎo)射出。該光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵，在其光束入射區(qū)域中對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以滿足光學(xué)波導(dǎo)中的內(nèi)部全反射條件；以及第二反射型體積全息光柵，在其上的平行光束組射出區(qū)域中對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以從該光學(xué)波導(dǎo)射出，第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面的干涉條紋的間距彼此相等；至少在第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在關(guān)于主入射光束的全息圖中連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件；以及至少部分的彼此傳播方向不同并且通過反復(fù)全反射在光學(xué)波導(dǎo)中從入射到射出區(qū)域傳播的平行光束組根據(jù)傳播方向的不同分別具有不同次數(shù)的全反射。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，也設(shè)置一種虛擬圖像顯示器，包括光源；準直光學(xué)系統(tǒng)，將從光源發(fā)出的光束形成為平行光束；掃描光學(xué)系統(tǒng)，掃描平行光束；以及光學(xué)波導(dǎo)，在掃描光學(xué)系統(tǒng)中形成的沿不同方向傳播的平行光束組入射至該光學(xué)波導(dǎo)，且平行光束組在經(jīng)由反復(fù)全反射而傳播通過該光學(xué)波導(dǎo)之后從該光學(xué)波導(dǎo)朝向觀察者瞳孔射出，
其中光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵，在其光束入射區(qū)域中以符合光學(xué)波導(dǎo)的全反射條件的角度對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射；以及第二反射型體積全息光柵，在其上的平行光束組射出區(qū)域中以從該光學(xué)波導(dǎo)射出的角度對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面的干涉條紋的間距彼此相等；至少在第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在關(guān)于主入射光束的全息圖中連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件；以及至少部分的彼此傳播方向不同并且通過反復(fù)全反射在光學(xué)波導(dǎo)中傳播的平行光束組根據(jù)傳播方向的不同分別具有不同次數(shù)的全反射。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，也設(shè)置一種虛擬圖像顯示器，包括圖像顯示元件；準直光學(xué)系統(tǒng)，將從圖像顯示元件的像素發(fā)出的光束形成為平行光束；以及光學(xué)波導(dǎo)，在準直光學(xué)系統(tǒng)中形成的平行光束組入射至該光學(xué)波導(dǎo)，且平行光束組在經(jīng)由反復(fù)全反射而傳播通過該光學(xué)波導(dǎo)之后從該光學(xué)波導(dǎo)朝向觀察者瞳孔射出，其中光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵，在其光束入射區(qū)域中對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以滿足光學(xué)波導(dǎo)中的內(nèi)部全反射條件；以及第二反射型體積全息光柵，在其上的平行光束組射出區(qū)域中對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以從該光學(xué)波導(dǎo)射出，第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面的干涉條紋的間距彼此相等；至少在第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在全息圖中關(guān)于主入射光束連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件；以及至少部分的彼此傳播方向不同并且通過反復(fù)全反射在光學(xué)波導(dǎo)中從入射到射出區(qū)域傳播的平行光束組根據(jù)傳播方向的不同分別具有不同次數(shù)的全反射。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例的光學(xué)設(shè)備和虛擬圖像顯示器中，可以通過將至少第二反射型體積全息光柵的干涉條紋和全息表面之間形成的角形成在入射主光束的入射側(cè)以滿足布拉格條件，來減少因為視角而產(chǎn)生的色彩和亮度的不均衡。


圖1是過去使用的虛擬圖像顯示器的截面圖。
圖2也是過去使用的虛擬圖像顯示器中所包括的反射型體積全息光柵的截面圖。
圖3是截面圖，示出視角不同的光束入射至過去使用的虛擬圖像顯示器中所包括的反射型體積全息光柵。
圖4示出虛擬圖像顯示器中所包括的照明光源發(fā)出的照明光的波形譜。
圖5是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器的截面圖。
圖6也是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器和光學(xué)設(shè)備中包括的第一反射型體積全息光柵的截面圖。
圖7也是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器和光學(xué)設(shè)備中包括的第二反射型體積全息光柵的截面圖。
圖8解釋了干涉條紋的傾角與反射型體積光柵的衍射效率之間的關(guān)系，在圖8A中是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器中包括的反射型體積全息光柵的截面圖，在圖8B中是與本發(fā)明實施例相比較的示例中的反射型體積全息光柵的截面圖。
圖9解釋了入射至反射型體積全息光柵且波段發(fā)生改變的光束的衍射效率，在圖9A中是反射型體積全息光柵的截面圖，其中波段受到濾色片或類似物的限制，圖9B是反射型體積全息光柵的截面圖，其中波段不受限制。
圖10是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器中包括的反射型體積全息光柵的另一個示例的截面圖。
圖11是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器中包括的反射型體積全息光柵的還有一個示例的截面圖。
圖12是本發(fā)明實施例的截面圖，其中反射型體積全息光柵由堆疊的全息層數(shù)目不同，或是每個全息層中并排放置的干涉條紋數(shù)目不同的多個區(qū)域來組成。
圖13是比例放大的截面圖，示出了在圖12中所示的反射型體積全息光柵的全息圖上的入射光分布。
圖14是本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器的截面圖。
具體實施例方式
將參考附圖在下文中對以光學(xué)設(shè)備和虛擬圖像顯示器為實施例的本發(fā)明進行詳細描述。
現(xiàn)在參考圖5，以示意性的截面圖的方式示出了本發(fā)明實施例的光學(xué)設(shè)備。如圖所示，總的以標號10表示的光學(xué)設(shè)備包括發(fā)出照明光的照明光源11、對照明光源11發(fā)出的照明光進行空間調(diào)制的空間調(diào)制元件12，以及接收在空間調(diào)制元件12中受到空間調(diào)制的照明光并將光引導(dǎo)入觀察者瞳孔16的虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)。
在照明光源11和空間調(diào)制元件12之間，設(shè)置有傳輸從照明光源11發(fā)出的照明光的光管道13，以及僅僅允許具有特定波長的照明光通過的濾光片14。
空間調(diào)制元件12是，例如，對入射的照明光逐個像素進行空間調(diào)制的透射型液晶顯示器(LCD)?？臻g調(diào)制照明光將被入射至虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)。也就是說，空間調(diào)制元件12起著能夠通過對照明光進行空間調(diào)制在光學(xué)波導(dǎo)入射表面的平面中對平行光進行掃描的掃描光學(xué)系統(tǒng)的作用。
需要注意的是雖然根據(jù)該實施例的虛擬圖像光學(xué)系統(tǒng)10包括照明光源11和空間調(diào)制元件12，但是，它也可以包括，例如圖像顯示元件(諸如有機EL(場致發(fā)光)顯示器、無機EL顯示器、液晶顯示器(LCD)或類似物)以代替照明光源11和空間調(diào)制元件12。
濾色片14對允許被入射到第二反射型體積全息光柵的光束的波段進行了限制，使觀察者可觀察到的視野直徑將小于2mm。根據(jù)本實施例，濾色片14將波段限制為，例如，大約10nm。
虛擬光學(xué)系統(tǒng)包括準直光學(xué)系統(tǒng)21、光學(xué)波導(dǎo)22、設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)22上的第一反射型體積全息光柵23，以及第二反射型體積全息光柵24。
準直光學(xué)系統(tǒng)21接收在空間調(diào)制元件12中受到空間調(diào)制的照明光，并允許彼此視角不同的平行光束組射出。從準直光學(xué)系統(tǒng)21發(fā)出的并且彼此視角不同的平行光束組入射至光學(xué)波導(dǎo)22。
光學(xué)波導(dǎo)22具有薄形平行平面結(jié)構(gòu)，包括作為主端面的第一光學(xué)表面22c以及與第一光學(xué)表面22c相對放置的第二光學(xué)表面22d，第一光學(xué)表面22c具有在其一個端面上的光入射口22a以使從準直光學(xué)系統(tǒng)21來的平行光束組入射至其上，以及在其另一端面上的光學(xué)出射口22b用于允許平行光束組的射出。
光學(xué)波導(dǎo)22的第二光學(xué)表面22d具有設(shè)置在第一光學(xué)表面22c的光入射口22a對面位置的第一反射型體積全息光柵23，以及設(shè)置在第一光學(xué)表面22c的光出射口22b對面位置的第二反射型體積全息光柵24。
第一和第二反射型體積全息光柵23和24被放置為平行于光學(xué)波導(dǎo)22的全反射表面。第一反射型體積全息光柵23在平行光束組入射的光入射區(qū)域中，在光學(xué)波導(dǎo)22內(nèi)部以滿足內(nèi)部全反射條件的角度對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，第二反射型體積全息光柵24在經(jīng)由反復(fù)全反射傳播通過光學(xué)波導(dǎo)22的平行光束組的射出區(qū)域中，以允許平行光束組從光學(xué)波導(dǎo)22射出的角度對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射。
圖6和7分別是第一和第二反射型體積全息光柵23和24的截面視圖。如圖6和圖7所示，與干涉條紋被放置在第二反射型體積全息光柵24的全息表面一樣，干涉條紋以相同的間距被放置在第一反射型體積全息光柵23的全息表面。更詳細的是，干涉條紋在第一和第二反射型體積全息光柵23和24的全息表面(它們對具有幾乎相等波長的光束進行衍射)的間距P1和P2彼此相等。
在第一反射型體積全息光柵23中，干涉條紋F11、F12、F13...F1n以它們與全息表面形成的傾角θ11、θ12、θ13....θ1n形成。傾角在全息圖中連續(xù)變化以滿足布拉格條件，如圖6所示。
如圖7所示，第二反射型體積全息光柵24由多個全息層24a和24b通過堆疊組成，多個全息層24a和24b主要將在相同位置以相同角度入射的具有不同波長的光束分別以近似相等的角度進行衍射。也就是說，在第二反射型體積全息光柵24中，具有相等干涉條紋的全息層24a和24b逐個堆疊，使干涉條紋在垂直于全息表面干涉條紋的方向上互相交錯。
在第二反射型體積全息光柵24的全息層24a和24b的每一個中，干涉條紋F21、F22、F23...F2n以它們與全息表面形成的傾角θ21、θ22、θ23....θ2n形成。傾角在全息圖中連續(xù)變化以滿足布拉格條件，類似于在第一反射型體積全息光柵23中的那樣。
也就是說，第一和第二反射型體積全息光柵23和24具有形成在它們相應(yīng)的全息表面上的角度隨著位置而變化的干涉條紋F11、F12、F13...F1n和F21、F22、F23...F2n。
同樣，第二反射型體積全息光柵24的全息層24a和24b與第一反射型體積全息光柵23相對于垂直于光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d的平面對稱。
同樣，第一反射型體積全息光柵23的干涉條紋的傾角θ11、θ12、θ13....Θ1n被形成為隨著較后的傾角更接近于第二反射型體積全息光柵24而遞增，表示為θ11＜θ12＜θ13＜....＜θ1n。
此外，第二反射型體積全息光柵24的干涉條紋的傾角θ21、θ22、θ23....Θ2n被形成為隨著較后的傾角更接近于第一反射型體積全息光柵23而遞增，表示為θ21＜θ22＜θ23＜....＜θ2n。
因為第一和第二反射型體積全息光柵23和24的傾角θ21、θ22、θ23....θ2n和θ21＜θ22＜θ23＜....＜θ2n發(fā)生改變以滿足布拉格條件，對應(yīng)于視角的衍射效率可能會互相相等，這允許消除不均衡的亮度。
注意雖然第一和第二反射型體積全息光柵23和24的干涉條紋的傾角在全息圖中是連續(xù)變化的，本發(fā)明不限于傾角的該種連續(xù)變化，除此以外傾角可以為階梯式變化的。
同樣，雖然第一和第二反射型體積全息光柵23和24的干涉條紋傾角是連續(xù)變化的，本發(fā)明不限于傾角的該種連續(xù)變化，除此以外至少第二反射型體積全息光柵24的干涉條紋傾角可以是連續(xù)變化或是階梯式變化的。
如上所述通過改變第一和第二反射型體積全息光柵23和24的干涉條紋傾角，可以使對應(yīng)于視角的衍射效率均等，并解決不均衡亮度的問題，如以下參考圖8所解釋的。
圖8A示出前述第二反射型體積全息光柵24的一個全息層(24a)。在此需要注意的是因為另一個全息層24b類似于該全息層24a，并且第一反射型體積全息光柵23類似于第二反射型體積全息光柵(除了它是與第二反射型體積全息光柵相對于垂直于光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d的平面而對稱的)，將不再解釋另一個全息層24b。圖8B示出了反射型體積全息光柵124作為對比示例，用于與本發(fā)明的上述實施例進行對照。在圖8B所示的反射型體積全息光柵124中，干涉條紋以相等間距放置，并且每一個干涉條紋傾角都是固定值。
在第二反射型體積全息光柵24的全息層24a中，因為干涉條紋傾角是如圖8A所示的連續(xù)變化的，光束B41、B42、B43、的衍射效率可以是彼此均等的，而不分別取決于視角θ41、θ42和θ43。值得注意的是圖8A中的視角θ42是0度。
另一方面，在對比反射型體積全息光柵124中，因為干涉條紋傾角如圖8B所示的是固定的，光束B41、B42、B43、的衍射效率彼此不同，產(chǎn)生了色彩和亮度上的不均衡。值得注意的是圖8B中的視角θ42是0度。
如上所述，使第一和第二反射型體積全息光柵23和24形成為干涉條紋傾角滿足布拉格條件，如圖8A和8B所示，并因此對應(yīng)于視角的衍射效率可以是互相均等的，且不均衡亮度的問題可被解決。
也就是說，在第一和第二反射型體積全息光柵23和24中，通過在對具有不同視角的光束進行衍射和反射的全息表面中將干涉條紋傾角相對于干涉條紋位置進行改變，可以解決屏幕上不均衡色彩和亮度的問題。
同樣，在虛擬圖像顯示器10中，因為允許到達觀察者瞳孔16的光束的波段受到上述濾色片14的限制，就可以防止在出射光瞳的直徑之內(nèi)的色彩不均衡，因為第一和第二反射型體積全息光柵23和24的干涉條紋傾角是如上所述而改變的。
下文將參考圖9來解釋通過由濾色片14限制光束的波段來防止在出射光瞳的直徑之間的色彩不均衡。
圖9A示出被允許到達上述第二反射型體積全息光柵24的全息層的一個全息層24a的光束的受限波段，值得注意的是因為被允許到達另一個全息層24b的光束的波段受到的限制類似于被允許到達這一全息層24a的光束的波段，并且第一反射型體積全息光柵23類似于第二反射型體積全息光柵(除了它是與第二反射型體積全息光柵相對于垂直于光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d的平面而對稱的)，被允許到達另一個全息層24b的光束的波段的限制將不做解釋。圖9B示出了虛擬圖像顯示器的反射型體積全息光柵134作為對比示例，用于與本發(fā)明的上述實施例進行對照。在圖9B示出的反射型體積全息光柵134中，干涉條紋和它們的傾角類似于全息層24a中的那些，并且被允許到達該反射型體積全息光柵134的光束的波段是不受限制的。
在圖9B所示的比較用虛擬圖像顯示器中，因為沒有設(shè)置濾色片，到達光束的波段較寬，并因為反射型體積全息光柵134的干涉條紋傾角是變化的，因此對應(yīng)于光束B61、B62、B63的不同波長的衍射效率是互相不同的，因此在出射光瞳直徑內(nèi)的某些位置的色彩變得不均衡。
另一方面，在圖9A所示的本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器中，因為被允許入射至第二反射型體積全息光柵24的光束的波段是受到濾色片14限制的，即使全息層24a的干涉條紋傾角是連續(xù)變化的，對應(yīng)于不同波長的光束B51、B52、B53的波長的衍射效率之間的偏差是微小的，防止在出射光瞳直徑內(nèi)的某些位置的色彩變得不均衡，并且對應(yīng)于視角的衍射效率互相均等。
在此注意，雖然在前述實施例中被允許入射至瞳孔的光束的波段是受到濾色片14限制的，在發(fā)射譜上足夠小的照明光源可被用于代替這些波段限制。
在虛擬圖像顯示器10中，因為被允許到達觀察者瞳孔16的光束波段是受到濾色片14限制的，并且第一和第二反射型體積全息光柵23和24的干涉條紋傾角是如圖9A和9B而變化的，如上所述，可以使對應(yīng)于視角的衍射角度彼此均衡，并防止在出射光瞳直徑內(nèi)的色彩變得不均衡。
同樣，在第二反射型體積全息光柵24中，因為光束是以相同角度入射至相同入射位置，并且對不同波長的光束主要以相同角度進行衍射多個全息層24a和24b是堆疊的，被傳播通過光學(xué)波導(dǎo)22的一部分平行光束組被衍射并反射了超過兩次，并且在每次衍射時有一部分光被允許從光學(xué)波導(dǎo)22射出。
也就是說，第二反射型體積全息光柵24允許已經(jīng)被傳播通過光學(xué)波導(dǎo)22的光束被兩次從光學(xué)波導(dǎo)22射出，如圖5所示，并因此可形成兩個可視區(qū)域17a和17b。
在虛擬圖像顯示器10中，因為第二反射型體積全息光柵24能夠形成兩個可視區(qū)域17a和17b，可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)兩個可視區(qū)域17a和17b之間的距離以形成相對較寬的可視區(qū)域，這樣只有始終都入射至兩個可視區(qū)域中一個的光線才能被入射至觀察者的瞳孔。
例如，在通過將可視區(qū)域之間的距離調(diào)節(jié)為大約2mm而形成的具有寬度小于2mm的可視區(qū)域的虛擬圖像顯示器10中，即便是(眼睛)晶體調(diào)節(jié)功能差的或是存在象差的觀察者也能夠清楚地識別虛擬圖像，并且具有優(yōu)良視覺能力的觀察者能夠容易地不怎么疲勞不怎么疲勞地觀察到虛擬圖像，因為不需要眼睛的聚焦。
在如上構(gòu)建的虛擬圖像顯示器10中，入射至光學(xué)波導(dǎo)22的光學(xué)入射口22a并彼此視角不同的平行光束組被入射至上述第一反射型體積全息光柵23，第一反射型體積全息光柵23將對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射。因此被衍射和反射的平行光束組將通過在光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d之間反復(fù)的全反射來傳播，并被入射至上述第二反射型體積全息光柵24。
沿不同方向傳播且通過反復(fù)全反射從光學(xué)波導(dǎo)22的入射區(qū)域傳播到出射區(qū)域的平行光束組的其中至少一部分受到與另一部分所受到的次數(shù)不同的全反射，因為在該部分和其它部分之間的傳播方向上有差別。
也就是說，光學(xué)波導(dǎo)22被設(shè)計為具有一定的長度和厚度(在其第一和第二光學(xué)表面22c和22d之間)，使得視角不同的通過反復(fù)全反射傳播通過光學(xué)波導(dǎo)22的平行光束根據(jù)它們的視角分別受到不同次數(shù)的全反射，直到它們到達第二反射型體積全息光柵24。
更具體地，入射至光學(xué)波導(dǎo)22的平行光束組中的朝向第二反射型體積全息光柵24傾斜入射的平行光束(即以大角度入射的平行光束)，與那些不是那么朝向第二反射型體積全息光柵24傾斜入射的平行光束(即，以小角度入射的平行光束)相比，將被反射較少的次數(shù)，因為平行光束組是作為彼此視角不同的平行光束被入射至光學(xué)波導(dǎo)22的。也就是說，因為平行光束以不同角度入射至第一反射型體積全息光柵23，它們被允許分別以不同角度被衍射出來，并因此平行光束以不同角度被全反射。因此，當(dāng)光學(xué)波導(dǎo)22被設(shè)計為薄且足夠長的時候，平行光束將被分別全反射不同的次數(shù)。
視角不同且入射至第二反射型體積全息光柵24的平行光束被衍射及反射而不會受到全反射，并將被允許從光學(xué)波導(dǎo)22的光出射口22d射出，并被入射至觀察者的瞳孔16。
如上所述，第二反射型體積全息光柵24被放置在光學(xué)波導(dǎo)22的光學(xué)表面22d上，以使其上的干涉條紋相對于垂直于光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)平面22c和22d的平面與記錄在第一反射型體積全息光柵23上的干涉條紋相對稱。這樣，因為由第二反射型體積全息光柵24反射的平行光束組將以與入射至第一反射型體積全息光柵23的角度相同的角度進行反射，這樣圖像將以高分辨率且不會模糊地顯示在瞳孔16中。
注意，雖然第一和第二反射型體積全息光柵23和24被放置為使它們的全息表面與光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d相平行，本發(fā)明不限于該配置，除此以外它們可以被放置為使全息表面分別與第一和第二光學(xué)表面22c和22d成預(yù)定角度。
因為本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器10被構(gòu)建為至少第二反射型體積全息光柵24的干涉條紋傾角關(guān)于主光線以及每個視角的中央波長滿足布拉格條件，則可以減少因為視角而產(chǎn)生的色彩和亮度的不均衡。
同樣，在本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器10中，因為波段受到濾色片14的限制，則可以防止因為干涉條紋傾角的變化而產(chǎn)生的色彩不均衡。
此外，本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器10被構(gòu)建為第一和第二反射型體積全息光柵23和24中的至少一個是由多個全息層堆疊而成的，多個全息層主要是分別以近似相等的角度對以相同角度入射至相同位置并具有不同波長的光束進行衍射。這樣，可以允許傳播通過光學(xué)波導(dǎo)22的光束從光學(xué)波導(dǎo)22射出并形成兩個可視區(qū)域17a和17b。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)兩個可視區(qū)域17a和17b之間的距離，可以形成相對寬的可視區(qū)域并且僅允許始終都入射至兩個可視區(qū)域中一個的光線被入射至觀察者的瞳孔。也就是說，使用本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器10，即便是(眼睛)晶體調(diào)節(jié)功能差的或是存在象差的觀察者也能夠清楚地識別虛擬圖像，并且具有優(yōu)良視覺能力的觀察者能夠容易地不怎么疲勞地觀察到虛擬圖像。
注意，雖然第一和第二反射型體積全息光柵23和24被構(gòu)建為使干涉條紋傾角在全息層中連續(xù)變化，想它們不限于該配置，除此以外，它們可由多個其中具有相同傾角的區(qū)域構(gòu)成，如圖10所示。
也就是說，如圖10所示，第二反射型體積全息光柵34由第一至第五縱向延展區(qū)域34a、34b、34c、34d和34e構(gòu)成，在所有區(qū)域中全息平面的表面間距互相都相等，并且區(qū)域中傾角θ51、θ52、θ53、θ54和θ55互相相等，且隨著它們更接近于第一反射型體積全息光柵，角度以升序順序遞增，如θ51＜θ52＜θ53＜θ54＜θ55。同樣，傾角θ51、θ52、θ53、θ54和θ55被確定為滿足布拉格條件。
采用圖10中所示的反射型體積全息光柵34，可以使對應(yīng)于視角的衍射效率彼此均等，因此可以如上述第一和第二反射型體積全息光柵23和24一樣，解決亮度不均衡的問題。值得注意的是作為示例示出并描述的第二反射型體積全息光柵34類似于第一反射型體積全息光柵，除了它是與第一反射型體積全息光柵相對于垂直于光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d的平面而對稱的。
如上所述并描述的，第二反射型體積全息光柵24是由多個全息層24a和24b堆疊構(gòu)成的。然而，本發(fā)明不限于此配置，除此以外，第一和第二反射型體積全息光柵23和24中的至少一個可由多個全息層堆疊而成，多個全息層主要是分別以近似相等的角度對以相同角度入射至相同位置并具有不同波長的光束進行衍射。
同樣，如上所示并描述的，第二反射型體積全息光柵24由多個全息層24a和24b堆疊構(gòu)成的。然而，本發(fā)明不限于此配置，除此以外，例如，第一和第二反射型體積全息光柵23和24中的至少一個可由多個傾斜干涉條紋并排放置而構(gòu)成，多個傾斜干涉條紋主要是分別以近似相等的角度對以相同角度入射至相同位置并具有不同波長的光束進行衍射。
例如，可使用如圖11所示的第二反射型體積全息光柵44。第二反射型體積全息光柵44包括其干涉條紋以相同間距放置的第一至第三干涉條紋44a、44b和44c。第一至第三干涉條紋44a至44c對具有相同波長的光束進行衍射。第二反射型體積全息光柵44由互相相等的并在垂直于全息表面的干涉條紋的方向上互相交錯的第一至第三干涉條紋44a至44c并排放置而構(gòu)成。
同樣，這些干涉條紋44a至44c的傾角在全息圖中連續(xù)變化以滿足布拉格條件，類似于上述第二反射型體積全息光柵24的全息層24a中形成的干涉條紋。
使用如圖11所示的第二反射型體積全息光柵44，可以使對應(yīng)于視角的衍射效率互相均衡，因此與上述第一和第二反射型體積全息光柵23和24中一樣可以解決不均衡亮度的問題。值得注意的是作為示例示出并描述的第二反射型體積全息光柵44類似于第一反射型體積全息光柵，除了它是與第一反射型體積全息光柵相對于垂直于光學(xué)波導(dǎo)22的第一和第二光學(xué)表面22c和22d的平面而對稱的。
同樣，本發(fā)明不限于此配置，除此以外，第一和第二反射型體積全息光柵23和24中的至少一個可由多個全息層堆疊而成，多個全息層主要以相同的角度對以相同角度入射至相同位置并具有相同波長的光束進行衍射。
同樣，本發(fā)明不限于此配置，除此以外，例如，第一和第二反射型體積全息光柵23和24中的至少一個可由多個傾斜干涉條紋并排放置而構(gòu)成，多個傾斜干涉條紋主要以相同的角度對以相同角度入射至相同位置并具有相同波長的光束進行衍射。
同樣，在入射端設(shè)置的第一反射型體積全息光柵可由堆疊全息層或并排放置的干涉條紋通過堆疊或重疊而構(gòu)成，干涉條紋的數(shù)量在垂直于表面的干涉條紋的方向上是變化的，如圖12所示。
圖12示出了由干涉條紋構(gòu)成的第一反射型體積全息光柵53，干涉條紋的數(shù)量在全息光柵53更接近于第二反射型體積全息光柵24的方向上是遞增的。第一反射型體積全息光柵53對從準直光學(xué)系統(tǒng)而來的以多個角度入射的具有所需波長的平行光束進行衍射。第一反射型體積全息光柵53的干涉條紋傾角在全息圖中是連續(xù)變化的以滿足布拉格條件，類似于上述第一反射型體積全息光柵23的干涉條紋。
此時，在全息層中將要被衍射的光束的入射角的分布在各個位置都不同，如圖13所示。值得注意的是在圖13中，水平軸表示在全息層上的位置，垂直軸表示全息圖上某個位置中將要被衍射的光束的入射角分布。如圖12所示，入射端全息層在垂直于其表面的干涉條紋的方向上被劃分為若干個矩形區(qū)域，在堆疊的全息層中的干涉條紋數(shù)目在每個區(qū)域都不同，并且在堆疊的全息層中干涉條紋的傾角相互之間都不同。例如，入射端全息層在垂直于其表面的干涉條紋的方向上被劃分為四個區(qū)域53a、53b、53c和53d。區(qū)域53a由全息層53a1和53a2的堆疊構(gòu)成，區(qū)域53b由全息層53b1、53b2、53b3和53b4的堆疊構(gòu)成，區(qū)域53c由全息層53c1、53c2、53c3、53c4和53c5的堆疊構(gòu)成，區(qū)域53d由全息層53d1、53d2、53d3、53d4和53d5的堆疊構(gòu)成，區(qū)域中干涉條紋的傾角彼此都不同。值得注意的是在全息表面的干涉條紋對于具有相同波長的光束都是相同。在該情況中，越接近于觀察者的瞳孔的干涉條紋的傾角就越小。
從圖13所示的將要被衍射的光束的入射角分布中可以理解，入射角是θ70max(最大入射角)的光束B70將要在最遠離觀察者瞳孔的區(qū)域53a中被衍射，入射角分別為θ71、θ72和θ73的光束B71、B72和B73將要在區(qū)域53c被衍射。同樣，在相同的區(qū)域53c中，以θ71＞θ72＞θ73的順序入射角逐漸變大的光束B71、B72和B73分別在全息層53c5、53c3和53c1被衍射，以該次序逐漸遠離全息表面。
在上文中，描述了若干示例，其中第一反射型體積全息光柵中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在遠離第二反射型體積全息光柵24的方向上遞增。然而，堆疊的干涉條紋的數(shù)目可能會在朝向第二反射型體積全息光柵24的方向上遞增。
使用第一反射型體積全息光柵53，可以使對應(yīng)于視角的衍射效率互相均等，因此如上述第一和第二反射型體積全息光柵23和24一樣解決了不均衡亮度的問題。同樣，入射端第一反射型體積全息光柵53被劃分為多個區(qū)域，并且堆疊全息層的數(shù)目或者在每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在各個區(qū)域中不同，如圖12和13所示，因此可以盡可能地減少光束傳播通過全息介質(zhì)的距離。因此，可以在通過全息層時減少對重現(xiàn)光束哪怕是些微的散射和吸收的影響。
入射端反射型體積全息光柵53被劃分為多個區(qū)域，且如上所述堆疊全息層的數(shù)目或者在每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在各個區(qū)域中不同，以最小化再現(xiàn)光束傳播通過全息介質(zhì)的距離。也就是說，當(dāng)通過全息層時，重現(xiàn)光束將較少地受到散射和吸收的影響。距離減少旨在抑制這些影響。
注意在上述虛擬圖像顯示器10中，將顯像光引導(dǎo)至觀察者瞳孔的薄型光學(xué)設(shè)備通過光學(xué)波導(dǎo)2來實現(xiàn)，光學(xué)波導(dǎo)22包括第一反射型體積全息光柵23或53，以及第二反射型體積全息光柵24、34或44，并且在不同方向上傳播的平行光束組入射至光學(xué)波導(dǎo)22，在通過全反射傳播通過光學(xué)波導(dǎo)22之后光束被允許從光學(xué)波導(dǎo)22射出。
在作為本發(fā)明實施例示出并描述的光學(xué)設(shè)備和虛擬圖像顯示器中，尤其是在入射端第二反射型體積全息光柵中，形成干涉條紋傾角，以使視角和中央波長不同的主光束滿足布拉格條件，因此可以減少因為視角不同而產(chǎn)生的色彩和亮度的不均衡。
在作為本發(fā)明實施例示出并描述的光學(xué)設(shè)備和虛擬圖像顯示器中，波段被限制以防止因為干涉條紋傾角的連續(xù)改變而產(chǎn)生的色彩的不均衡。
此外，因為本發(fā)明實施例的光學(xué)設(shè)備和虛擬圖像顯示器在多處形成可視區(qū)域，允許(眼睛)晶體調(diào)節(jié)功能差的或是存在象差的觀察者也能夠具有較寬的視野區(qū)域被能夠清楚地識別虛擬圖像，并且具有優(yōu)良視覺能力的觀察者能夠容易地不怎么疲勞地觀察到虛擬圖像。
下文將參考圖14并基于表1中的數(shù)據(jù)進一步解釋作為本發(fā)明實施例的虛擬圖像顯示器10的第二反射型體積全息光柵24的全息層24a。值得注意的是全息層24b類似于全息層24a，且第一反射型體積全息光柵23也類似于第二反射型體積全息光柵，除了它是與第二反射型體積全息光柵相對于垂直于光學(xué)表面的平面而對稱的。
表1示出了本發(fā)明實施例中，當(dāng)顯示角度為±10度時，在視角不同的主光束入射位置上的干涉條紋傾角(以1度為單位)的分布。
表1

上述實施例采用參考光柵反射型體積全息光柵，其中光學(xué)波導(dǎo)22由PMMA(折射率1.49)形成，以-8度入射至光學(xué)波導(dǎo)22的光束在光學(xué)波導(dǎo)22中以43度進行全反射。
注意表1中的“視角”表示圖14中所示的視角α1和α2。正的視角被表示為α1，負的視角被表示為α2。同樣，表1中的“介質(zhì)中視角”表示圖14所示的介質(zhì)內(nèi)視角α3。表1中“全反射角”表示圖14所述的全反射角α4。此外，表1中“介質(zhì)內(nèi)干涉條紋傾角”表示表示圖14所示的傾角α5。表1中“全息圖中位置”由圖14所示的全息層離開中線的距離X1和X2所表示。
在這些實施例中所包括的全息層24b(其干涉條紋傾角設(shè)置為如表1所示)中，放置在觀察者眼睛前方的反射型體積全息光學(xué)元件的干涉條紋是連續(xù)變化的，而表面上光柵間距對于視角相等且具有相同波長的光束是固定的，以滿足布拉格條件，這樣可以使衍射效率互相均等，并解決如圖8A所示的每個視角的色彩和亮度的不均衡。
本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以理解可以根據(jù)設(shè)計要求及其它因素，在附加權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)進行各種修改、組合、子組合以及改動。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備，包括光學(xué)波導(dǎo)，彼此傳播方向不同的平行光束組入射至所述光學(xué)波導(dǎo)，且經(jīng)由反復(fù)全反射來傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)的所述平行光束組從所述光學(xué)波導(dǎo)射出。所述光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵，在其光束入射區(qū)域中對所述平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以滿足所述光學(xué)波導(dǎo)中的內(nèi)部全反射條件；以及第二反射型體積全息光柵，在其上的平行光束組射出區(qū)域中對所述平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以從所述光學(xué)波導(dǎo)射出，所述第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面上干涉條紋的間距彼此相等；至少在所述第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在關(guān)于主入射光束的全息圖中連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件；以及至少部分的彼此傳播方向不同并且通過反復(fù)全反射在光學(xué)波導(dǎo)中從入射區(qū)域到射出區(qū)域傳播的平行光束組根據(jù)傳播方向的不同分別具有不同次數(shù)的全反射。
2.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，在所述第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面上的分別對具有近似相等波段的光束進行衍射的干涉條紋的間距彼此相等。
3.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵被放置為平行于所述光學(xué)波導(dǎo)的全反射表面。
4.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，當(dāng)所述第二反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第一反射型體積全息光柵時，在所述第二反射型體積全息光柵的干涉條紋和表面之間形成的角度逐漸增大。
5.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵對傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)超過兩次的部分平行光束組進行衍射和反射，并在每次衍射中允許部分的光量從所述光學(xué)波導(dǎo)射出。
6.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層堆疊而成的，所述多個全息層主要是分別以近似相等的角度對在相同入射位置具有相同入射角度并具有不同波段的光束進行衍射。
7.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個干涉條紋并排放置而成的，所述多個干涉條紋主要是分別以近似相等的角度對在相同入射位置具有相同入射角度并具有不同波段的光束進行衍射。
8.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層堆疊而成的，所述多個全息層主要對在相同入射位置具有相等波長并有不同入射角度的光束進行衍射，并以相同角度對彼此具有相等波長和入射角的光束進行衍射。
9.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層并排放置而形成的，所述多個全息、層主要對在相同入射位置具有相等波長并有不同入射角度的光束進行衍射，并以相同角度對彼此具有相等波長和入射角的光束進行衍射。
10.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵是由多個具有相等的干涉條紋的全息層堆疊而形成的，所述多個具有相等的干涉條紋的全息層在垂直于所述干涉條紋的方向上彼此交錯。
11.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵是由多個相等干涉條紋并排放置而成的，所述多個相等干涉條紋在與其垂直的方向上彼此交錯。
12.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，當(dāng)所述第一反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第二反射型體積全息光柵時，在所述第一反射型體積全息光柵的干涉條紋和表面之間形成的角逐漸減小。
13.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，在所述第一反射型體積全息光柵中，堆疊的全息層的數(shù)目或每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在垂直于所述第一反射型體積全息光柵的表面的干涉條紋的方向上是變化的。
14.如權(quán)利要求1所示的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，在所述第一反射型體積全息光柵中，堆疊的全息層的數(shù)目或每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在所述第一反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第二反射型體積全息光柵的方向上是逐漸增大的。
15.一種虛擬圖像顯示器，包括光源；準直光學(xué)系統(tǒng)，將從所述光源發(fā)出的光束形成為平行光束；掃描光學(xué)系統(tǒng)，掃描所述平行光束；以及光學(xué)波導(dǎo)，在所述掃描光學(xué)系統(tǒng)中形成的沿不同方向傳播的平行光束組入射至所述光學(xué)波導(dǎo)，且所述平行光束組在經(jīng)由反復(fù)全反射而傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)之后從所述光學(xué)波導(dǎo)朝向觀察者瞳孔射出，其中所述光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵，在其光束入射區(qū)域中以滿足所述光學(xué)波導(dǎo)中全反射條件的角度對所述平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射；以及第二反射型體積全息光柵，在其上的平行光束組射出區(qū)域中以從所述光學(xué)波導(dǎo)射出的角度對平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，所述第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面的干涉條紋的間距彼此相等；至少在所述第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在關(guān)于主入射光束的全息圖中連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件；以及至少部分的彼此傳播方向不同并且通過反復(fù)全反射在所述光學(xué)波導(dǎo)中傳播的平行光束組根據(jù)傳播方向的不同分別具有不同次數(shù)的全反射。
16.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在從所述光源至所述觀察者瞳孔的光通路上設(shè)置僅允許具有特定波長的光束通過的濾色片。
17.如權(quán)利要求16所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述濾色片限制了被允許入射至所述第二反射型體積全息光柵的光束的波段，這樣觀察者可見的區(qū)域?qū)⑿∮谥睆?mm。
18.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在所述第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面上的分別對具有近似相等波段的光束進行衍射的干涉條紋的間距彼此相等。
19.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵被放置為平行于所述光學(xué)波導(dǎo)的全反射表面。
20.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，當(dāng)所述第二反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第一反射型體積全息光柵時，在所述第二反射型體積全息光柵的干涉條紋和表面之間形成的角度逐漸增大。
21.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵對傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)超過兩次的部分平行光束組進行衍射和反射，并在每次衍射中允許部分的光量從所述光學(xué)波導(dǎo)射出。
22.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層堆疊而成的，所述多個全息層主要是分別以近似相等的角度對在相同入射位置具有相同入射角度并具有不同波長的光束進行衍射。
23.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個干涉條紋并排放置而成的，所述多個干涉條紋主要是分別以近似相等的角度對在相同入射位置具有相同入射角度并具有不同波長的光束進行衍射。
24.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層堆疊而形成的，所述多個全息層主要對在相同入射位置具有相等波長并有相同入射角度的光束進行衍射，并以相同角度對彼此具有相等波長和入射角的光束進行衍射。
25.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層并排放置而形成的，所述多個全息層主要對在相同入射位置具有相等波長并有相同入射角度的光束進行衍射，并以相同角度對彼此具有相等波長和入射角的光束進行衍射。
26.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵是由多個具有相等的干涉條紋的全息層堆疊而成的，所述多個具有相等的干涉條紋的全息層在垂直于所述干涉條紋的方向上彼此交錯。
27.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵是由多個相等干涉條紋并排放置而成的，所述多個相等干涉條紋在與其垂直的方向上互相交錯。
28.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，當(dāng)所述第一反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第二反射型體積全息光柵時，在所述第一反射型體積全息光柵的干涉條紋和表面之間形成的角逐漸減小。
29.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在所述第一反射型體積全息光柵中，堆疊的全息層的數(shù)目或每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在垂直于所述第一反射型體積全息光柵的表面的干涉條紋的方向上是變化的。
30.如權(quán)利要求15所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在所述第一反射型體積全息光柵中，堆疊的全息層的數(shù)目或每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在所述第一反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第二反射型體積全息光柵的方向上是逐漸增大的。
31.一種虛擬圖像顯示器，包括圖像顯示元件；準直光學(xué)系統(tǒng)，將從所述圖像顯示元件的像素發(fā)出的光束形成為平行光束；以及光學(xué)波導(dǎo)，在所述準直光學(xué)系統(tǒng)中形成的平行光束組入射至所述光學(xué)波導(dǎo)，且所述平行光束組在經(jīng)由反復(fù)全反射而傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)之后從所述光學(xué)波導(dǎo)朝向觀察者瞳孔射出，其中所述光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵，在其光束入射區(qū)域中對所述平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以滿足所述光學(xué)波導(dǎo)中的內(nèi)部全反射條件；以及第二反射型體積全息光柵，在其上的平行光束組射出區(qū)域中對所述平行光束組按照它們現(xiàn)在的樣子進行衍射和反射，以從所述光學(xué)波導(dǎo)射出，所述第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面的干涉條紋的間距彼此相等；至少在所述第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在關(guān)于主入射光束的全息圖中連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件；以及至少部分的彼此傳播方向不同并且通過反復(fù)全反射在所述光學(xué)波導(dǎo)中從入射到射出區(qū)域傳播的平行光束組根據(jù)傳播方向的不同分別具有不同次數(shù)的全反射。
32.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在從所述圖像顯示元件或照明所述圖像顯示元件的照明光源至所述觀察者瞳孔的光通路上設(shè)置僅允許具有特定波長的光束通過的濾色片。
33.如權(quán)利要求32所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述濾色片限制了被允許入射至所述第二反射型體積全息光柵的光束的波段，這樣觀察者可見的區(qū)域?qū)⑿∮谥睆?mm。
34.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在所述第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面上的分別對具有近似相等波長的光束進行衍射的干涉條紋的間距彼此相等。
35.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵被放置為平行于所述光學(xué)波導(dǎo)的全反射表面。
36.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，當(dāng)所述第二反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第一反射型體積全息光柵時，在所述第二反射型體積全息光柵的干涉條紋和表面之間形成的角度逐漸增大。
37.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵對傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)超過兩次的部分平行光束組進行衍射和反射，并在每次衍射中允許部分的光量從所述光學(xué)波導(dǎo)射出。
38.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層堆疊而成的，所述多個全息層主要是分別以近似相等的角度對在相同入射位置具有相同入射角度并具有不同波長的光束進行衍射。
39.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個干涉條紋并排放置而成的，所述多個干涉條紋主要是分別以近似相等的角度對在相同入射位置具有相同入射角度并具有不同波長的光束進行衍射。
40.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層堆疊而成的，所述多個全息層主要對在相同入射位置具有相等波長并有不同入射角度的光束進行衍射，并以相同角度對彼此具有相等波長和入射角的光束進行衍射。
41.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第一和第二反射型體積全息光柵中的至少一個是由多個全息層并排放置而成的，所述多個全息層主要對在相同入射位置具有相等波長并有不同入射角度的光束進行衍射，并以相同角度對彼此具有相等波長和入射角的光束進行衍射。
42.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵是由多個具有相等的干涉條紋的全息層堆疊而成的，所述多個具有相等的干涉條紋的全息層在垂直于所述干涉條紋的方向上彼此交錯。
43.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，所述第二反射型體積全息光柵是由多個相等干涉條紋并排放置而成的，所述多個相等的干涉條紋在與其垂直的方向上互相交錯。
44.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，當(dāng)所述第一反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第二反射型體積全息光柵時，在所述第一反射型體積全息光柵的干涉條紋和表面之間形成的角逐漸減小。
45.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在所述第一反射型體積全息光柵中，堆疊的全息層的數(shù)目或每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在垂直于所述第一反射型體積全息光柵的表面的干涉條紋的方向上是變化的。
46.如權(quán)利要求31所述的虛擬圖像顯示器，其特征在于，在所述第一反射型體積全息光柵中，堆疊的全息層的數(shù)目或每個全息層中并排放置的干涉條紋的數(shù)目在所述第一反射型體積全息光柵逐漸接近于所述第二反射型體積全息光柵的方向上是逐漸增大的。
全文摘要
設(shè)置一種光學(xué)設(shè)備，包括光學(xué)波導(dǎo)，彼此傳播方向不同的平行光束組入射至所述光學(xué)波導(dǎo)，且經(jīng)由反復(fù)全反射來傳播通過所述光學(xué)波導(dǎo)的所述平行光束組從所述光學(xué)波導(dǎo)射出。所述光學(xué)波導(dǎo)包括第一反射型體積全息光柵以及第二反射型體積全息光柵。第一和第二反射型體積全息光柵的全息表面上干涉條紋的間距彼此相等。至少在所述第二反射型體積全息光柵中，在干涉條紋和全息表面之間形成的角在全息層中關(guān)于主入射光束連續(xù)或階梯式變化，以滿足布拉格條件。因此，可以減少因為視角而產(chǎn)生的色彩和亮度的不均衡。
文檔編號G02B27/00GK1892271SQ200610095630
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者武川洋 申請人:索尼株式會社