專利名稱：光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及允許觀察者觀察由成像器件形成的二維圖像的光學(xué)器件、以及裝備有該光學(xué)器件的圖像顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
PCT日本譯文專利公開號(hào)8-507879、以及日本待審專利申請(qǐng)公開號(hào)2002-162598公開了配備有全息衍射光柵的虛像顯示設(shè)備的已知例子。這樣的設(shè)備允許觀察者觀察作為由虛像光學(xué)系統(tǒng)放大的虛像的由成像器件形成的二維圖像。
圖11示意性地顯示了在PCT日本譯文專利公開號(hào)8-507879中公開的虛像顯示設(shè)備。該虛像顯示設(shè)備包含成像器件101、導(dǎo)光板102、透射全息透鏡103、以及透射全息衍射光柵104。在成像器件101上顯示的圖像光被發(fā)射到導(dǎo)光板102，然后，由在導(dǎo)光板102內(nèi)提供的透射全息透鏡103準(zhǔn)直(collimate)。在導(dǎo)光板102內(nèi)部，對(duì)于全反射，圖像光被偏轉(zhuǎn)一角度。隨后，圖像光在于其中被全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板102，然后進(jìn)入透射全息衍射光柵104，其中圖像光被衍射。透射全息衍射光柵104被配備在與導(dǎo)光板102內(nèi)的透射全息透鏡103相同的軸線上，并且與透射全息透鏡103隔開預(yù)定的距離。被衍射的圖像光從導(dǎo)光板102中釋放作為準(zhǔn)直光，并且被導(dǎo)向觀察者的眼睛。
另一方面，圖12A與12B示意性地顯示了在日本待審專利申請(qǐng)公開號(hào)2002-162598中公開的虛像顯示設(shè)備。該虛像顯示設(shè)備包含成像器件201、自由形式表面棱鏡(free-form-surface prism)202、導(dǎo)光板203、第一全息光學(xué)元件204、第二全息光學(xué)元件205、第三全息光學(xué)元件206、以及第四全息光學(xué)元件207。下文中，將把每個(gè)全息光學(xué)元件簡(jiǎn)稱為HOE(holographic opticalelement)。在成像器件201上顯示的圖像光穿過(guò)自由形式表面棱鏡202，從而進(jìn)入導(dǎo)光板203。在導(dǎo)光板203上入射的圖像光通過(guò)第一HOE 204和第二HOE205而被連續(xù)地衍射和反射，其中，在與其入射表面相對(duì)的導(dǎo)光板203的表面上提供第一HOE 204，在導(dǎo)光板203的入射表面上提供第二HOE 205。在這種情況下，圖像光被設(shè)置為臨界角或者更大角度，從而在導(dǎo)光板203內(nèi)被全反射。具有臨界角或者更大角度的圖像光在導(dǎo)光板203內(nèi)被全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板203，然后，通過(guò)第四HOE 207與第三HOE 206而被連續(xù)地衍射和反射，使得其變?yōu)榕R界角或更小角度。圖像光從導(dǎo)光板102釋放，并且被導(dǎo)向觀察者的眼睛。

發(fā)明內(nèi)容
在PCT日本譯文專利公開號(hào)8-507879中公開的虛像顯示設(shè)備具有將在以下描述的三個(gè)主要問(wèn)題。
第一，在該虛像顯示設(shè)備中，從成像器件101發(fā)射的圖像光直接進(jìn)入導(dǎo)光板102中的透射全息透鏡(transmissive hologram lens)103。如果縮短成像器件101與透射全息透鏡103之間的距離(即，透射全息透鏡103的焦距)以便增大該虛像顯示設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)的放大率，則由于透射全息透鏡103的可接受的衍射角度相對(duì)較小這一事實(shí)，而造成難以獲得大的瞳徑105。另外，因?yàn)樵谕干淙⑼哥R103上形成的干涉條紋具有非球面相位分量的復(fù)雜圖案，所以，難以提供多個(gè)數(shù)目的干涉條紋以增大透射全息透鏡103的可接受的衍射角度、以便增大瞳徑，或者，難以對(duì)透射全息透鏡103賦予多層結(jié)構(gòu)。這就意味著在相同的波長(zhǎng)和相同的入射角度上，難以在維持等衍射角的同時(shí)獲得不同的衍射效率。
第二，在該虛像顯示設(shè)備中，在導(dǎo)光板102中提供的透射全息透鏡103偏轉(zhuǎn)從成像器件101發(fā)射的圖像光，并同時(shí)準(zhǔn)直該圖像光(即，同時(shí)產(chǎn)生光功率)。這可能造成較大程度的單色偏心象差(eccentric aberration)，這可能會(huì)減小要導(dǎo)向眼睛的顯示圖像的分辨率。
另外，在該虛像顯示設(shè)備中，雖然在透射全息透鏡103中產(chǎn)生的彩色象差由透射全息衍射光柵104糾正，但是，因?yàn)橥干淙⒀苌涔鈻?04對(duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)方向限于與圖11的頁(yè)面平行的方向，所以，至少難以消除在與頁(yè)面垂直的方向上出現(xiàn)的象差。在透射全息透鏡103中出現(xiàn)的彩色象差是由于在導(dǎo)光板102中提供的兩個(gè)不同的透射全息光學(xué)元件(其為透射全息透鏡103以及透射全息衍射光柵104)而造成的。這一問(wèn)題導(dǎo)致了重要的限制條件，即，只允許使用窄波長(zhǎng)范圍的光源。實(shí)際上，通過(guò)來(lái)自眼睛的逆向光線追蹤，對(duì)圖11所示的虛像顯示設(shè)備實(shí)際進(jìn)行了模擬。該模擬的結(jié)果顯示即使彩色象差由這兩個(gè)透射全息光學(xué)元件糾正，但是，當(dāng)波長(zhǎng)偏移±2nm時(shí)，成像器件101上仍存在±30μm的移位。
第三，即使用沒(méi)有光功率的兩個(gè)相同的透射體積全息衍射光柵來(lái)替換這兩個(gè)透射全息光學(xué)元件(即，透射全息透鏡103以及透射全息衍射光柵104)，仍存在以下問(wèn)題。
通常，已知在特定入射角上，透射體積全息衍射光柵的衍射可接受波長(zhǎng)范圍大于反射體積全息衍射光柵的衍射可接受波長(zhǎng)范圍。因此，如果形成從成像器件101發(fā)射的圖像光的光的波長(zhǎng)范圍較大，或者如果成像器件101由發(fā)射光的三基色RGB(R紅光、G綠光、B藍(lán)光)的光源(紅光發(fā)射光源、綠光發(fā)射光源、藍(lán)光發(fā)射光源)限定，并且，如果從每個(gè)光源發(fā)射的光的波長(zhǎng)的間隔較短(意味著如果從每個(gè)光源發(fā)射的光的波長(zhǎng)范圍較寬)，則可能出現(xiàn)由大量衍射造成的彩色色散、即衍射彩色色散。例如，用于綠光(中心波長(zhǎng)550nm)的透射體積全息衍射光柵具有大約400到630nm波長(zhǎng)范圍的大約10％的衍射效率，這意味著綠光的透射體積全息衍射光柵可能會(huì)不利地衍射從藍(lán)光發(fā)光二極管(發(fā)光波長(zhǎng)范圍410到490nm)以及紅光發(fā)光二極管(發(fā)光波長(zhǎng)范圍600到660nm)發(fā)射的一部分光。
可以通過(guò)使用具有以相同間距排列的干涉條紋的兩個(gè)全息衍射光柵，消除由衍射彩色色散造成的彩色象差。但是，如果在全息衍射光柵之一中發(fā)生的彩色色散較大，則透射通過(guò)導(dǎo)光板的光的擴(kuò)散變大。這意味著當(dāng)光由另一全息衍射光柵衍射、然后從導(dǎo)光板發(fā)射時(shí)，光的傳播方向依賴于波長(zhǎng)而顯著地變大，由此，損害了要在觀察者的眼睛上顯示的虛像的顏色的均勻性。
另一方面，在日本待審專利申請(qǐng)公開號(hào)2002-162598中公開的虛像顯示設(shè)備中，因?yàn)閬?lái)自成像器件201的圖像光在導(dǎo)光板203內(nèi)中間形成，所以，第一HOE 204、第二HOE 205、第三HOE 206、以及第四HOE 207可能需要具有偏心布置的光功率。由此，該虛像顯示設(shè)備具有可能出現(xiàn)偏心象差的問(wèn)題。為了減輕該虛像顯示設(shè)備中的這樣的偏心象差，以非軸對(duì)稱的方式放置自由形式表面棱鏡202、第一HOE 204、第二HOE 205、第三HOE 206、以及第四HOE 207。然而，因?yàn)槊總€(gè)HOE的衍射效率的上限基本上在70％和80％之間，所以，所述四個(gè)HOE的總衍射效率等于70％到80％的四次方。由此，顯著地降低了衍射效率。另外，未被第一HOE 204與第二HOE 205衍射的導(dǎo)光板203內(nèi)的光束不進(jìn)入第三HOE 206與第四HOE 207。因此，這存在問(wèn)題，即難以改善光使用率、以及擴(kuò)大可觀察范圍。
本發(fā)明人已在日本專利申請(qǐng)2004-97222中提出了一種虛像顯示設(shè)備，用來(lái)解決在PCT日本譯文專利公開號(hào)8-507879以及日本待審專利申請(qǐng)公開號(hào)2002-162598中公開的虛像顯示設(shè)備中的問(wèn)題。
參照?qǐng)D13，虛像顯示設(shè)備300包括成像器件301，其顯示圖像；以及虛像光學(xué)系統(tǒng)，其接收在成像器件301上顯示的圖像光，并且將光導(dǎo)向觀察者的眼睛306。具體地，該虛像光學(xué)系統(tǒng)包括準(zhǔn)直器光學(xué)單元305、導(dǎo)光板302、以及兩者均在導(dǎo)光板302上提供的第一透射體積全息衍射光柵303和第二透射體積全息衍射光柵304。準(zhǔn)直器光學(xué)單元305接收從成像器件301中的對(duì)應(yīng)像素發(fā)射的光束。準(zhǔn)直器光學(xué)單元305生成包括具有相對(duì)于導(dǎo)光板302的不同入射角的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，并向?qū)Ч獍?02發(fā)射準(zhǔn)直光束組。導(dǎo)光板302的一端與作為從準(zhǔn)直器光學(xué)單元30發(fā)射的準(zhǔn)直光束組進(jìn)入的位置的光入射部分302A相對(duì)應(yīng)，并且，導(dǎo)光板302的另一端與作為向外發(fā)射準(zhǔn)直光束組的位置的光出射部分302B。準(zhǔn)直光束組從導(dǎo)光板302的一個(gè)光學(xué)表面(前面)302C進(jìn)入導(dǎo)光板302，并且從導(dǎo)光板302出射。另一方面，與導(dǎo)光板302的光學(xué)表面302C平行的、導(dǎo)光板302的另一個(gè)光學(xué)表面(背面)302D在其上附接有第一透射體積全息衍射光柵303和第二透射體積全息衍射光柵304。
包含以不同的入射角進(jìn)入導(dǎo)光板302的光入射部分302A的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組進(jìn)入第一透射體積全息衍射光柵303，其中準(zhǔn)直光束被衍射和反射。衍射的準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板302，同時(shí)在光學(xué)表面302C與302D之間經(jīng)歷全反射，并且進(jìn)入第二透射體積全息衍射光柵304。入射到第二透射體積全息衍射光柵304上的準(zhǔn)直光束組被衍射和反射，從而不受全反射條件的影響。因此，準(zhǔn)直光束組從光出射部分302B被發(fā)射，從而被導(dǎo)向觀察者的眼睛306。
在第二透射體積全息衍射光柵304內(nèi)形成的干涉條紋的圖案、以及在第一透射體積全息衍射光柵303內(nèi)形成的干涉條紋的圖案相對(duì)于垂直于導(dǎo)光板302的軸線延伸的假想平面而彼此對(duì)稱。因而，要由第二透射體積全息衍射光柵304衍射和反射的準(zhǔn)直光束組以與第一透射體積全息衍射光柵303上的準(zhǔn)直光束組的入射角相同的角度而被衍射和反射。由此，可以在眼睛306上顯示高分辨率的顯示圖像、而沒(méi)有圖像模糊。
因而，虛像顯示設(shè)備300被提供有無(wú)透鏡效應(yīng)的第一透射體積全息衍射光柵303和第二透射體積全息衍射光柵304，由此，可以消除或減小單色偏心象差、以及衍射彩色象差。
提供多個(gè)在虛像顯示設(shè)備300的第一透射體積全息衍射光柵303和第二透射體積全息衍射光柵304內(nèi)形成的干涉條紋，或者，衍射光柵具有多層結(jié)構(gòu)。干涉條紋具有固定的傾斜角度(即，每個(gè)干涉條紋與第一透射體積全息衍射光柵303和第二透射體積全息衍射光柵304中的每一個(gè)的表面之間形成的固定角度)。另外，因?yàn)榈谝煌干潴w積全息衍射光柵303上的多個(gè)準(zhǔn)直光束的入射角依賴于從成像器件301的發(fā)射位置而變化，所以，滿足布拉格條件的衍射波長(zhǎng)在第一透射體積全息衍射光柵303的各個(gè)區(qū)域中不同。結(jié)果，在第一透射體積全息衍射光柵303的各個(gè)區(qū)域中衍射和反射的光束的衍射效率具有變化。具體地，參照?qǐng)D14，如果在第一透射體積全息衍射光柵303上入射的光具有特定的波長(zhǎng)范圍，則以最高效率衍射的波長(zhǎng)依賴于從成像器件301的發(fā)射位置而變化。這導(dǎo)致了根據(jù)成像器件301中像素位置的、在導(dǎo)向眼睛的像素圖像中不均勻的著色。在圖14中，波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3表示依賴于成像器件301的發(fā)射位置的、以最高效率衍射的波長(zhǎng)。另一方面，在第一透射體積全息衍射光柵303上入射的光具有單一波長(zhǎng)的情況下，如果衍射效率依賴于從成像器件301的發(fā)射位置而變化，則可能會(huì)引入亮度的不均勻。
期望提供一種光學(xué)器件，其中，可以減小依賴于準(zhǔn)直光束入射角的顏色與亮度的不均勻性，并且，期望提供一種配備有該光學(xué)器件的圖像顯示設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)器件包含導(dǎo)光板，其接收包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，該準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板，同時(shí)在其中經(jīng)歷全反射，然后從導(dǎo)光板出射；第一衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板內(nèi)經(jīng)歷全反射；以及第二衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射透射通過(guò)導(dǎo)光板的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板發(fā)射該準(zhǔn)直光束組。第一衍射光柵部件被提供有從第一衍射光柵部件內(nèi)向其表面延伸的干涉條紋，第一衍射光柵部件表面上的干涉條紋以等間距排列。當(dāng)在第一衍射光柵部件中的每個(gè)干涉條紋與第一衍射光柵部件的每個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，第一衍射光柵部件具有以下情形(a)第一衍射光柵部件具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)第一衍射光柵部件具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備包含成像器件；準(zhǔn)直器光學(xué)單元，其被配置來(lái)準(zhǔn)直從成像器件發(fā)射的光束；以及根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件，其接收由準(zhǔn)直器光學(xué)單元沿不同方向準(zhǔn)直并且定向的準(zhǔn)直光束，然后引導(dǎo)并且發(fā)射準(zhǔn)直光束。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，存在以下情況第一衍射光柵部件沒(méi)有從含有具有最小傾斜角度的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域延伸到更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)域。在這種情況下，不用考慮條件(a)。相反，存在以下情況第一衍射光柵部件沒(méi)有從最小傾斜角度區(qū)域延伸到更靠近第二衍射光柵部件的區(qū)域。在這種情況下，不用考慮條件(b)。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，優(yōu)選地，第一衍射光柵部件中的干涉條紋包含P種干涉條紋，以便設(shè)置對(duì)具有不同波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))且限定準(zhǔn)直光束的P種光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P為整數(shù)。因而，當(dāng)具有不同波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))的準(zhǔn)直光束由第一衍射光柵部件衍射和反射時(shí)，該結(jié)構(gòu)有利于增大衍射效率、增大可接受的衍射角度、以及優(yōu)化衍射角度。無(wú)論準(zhǔn)直光束的波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))如何，衍射和反射特定入射角度的準(zhǔn)直光束的P種干涉條紋均具有相同的傾斜角度。術(shù)語(yǔ)“P種干涉條紋”有時(shí)可以被稱為“提供多個(gè)數(shù)目的(P種)干涉條紋”。
優(yōu)選地，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，當(dāng)將第二衍射光柵部件的中心定義為原點(diǎn)時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的第二衍射光柵部件的法線定義為X軸時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的導(dǎo)光板的軸線定義為Y軸時(shí)，當(dāng)將由用于觀察與由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且從導(dǎo)光板釋放的準(zhǔn)直光束組相對(duì)應(yīng)的圖像的X軸上的觀察點(diǎn)與位置最靠近第一衍射光柵部件的準(zhǔn)直光束之一形成的角度定義為張角θ＝θ0(＞0)時(shí)，以及當(dāng)將觀察點(diǎn)與位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的另一準(zhǔn)直光束形成的角度定義為張角θ＝-θ0(＜0)時(shí)，其中準(zhǔn)直光束由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)，在提供具有最大傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第一衍射光柵部件衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θ＝θ0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束，并且，在提供具有最小傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第一衍射光柵部件衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θ＝-θ0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束。
詳細(xì)地，術(shù)語(yǔ)“張角”指當(dāng)從光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)空間觀看光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)象范圍(object range)時(shí)的觀看角度。
可替換地，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，第一衍射光柵部件可以包含由Q層反射體積全息衍射光柵限定的衍射光柵層，其中Q為整數(shù)。在這種情況下，在第一衍射光柵部件的每個(gè)衍射光柵層中提供干涉條紋，并且，該干涉條紋從每個(gè)衍射光柵層內(nèi)部向其表面延伸。另外，每個(gè)衍射光柵層上的干涉條紋以等間距排列，并且，以相同間距排列衍射光柵層中的干涉條紋。該多層結(jié)構(gòu)有利于減小第一衍射光柵部件在導(dǎo)光板的軸向方向上的長(zhǎng)度、減小導(dǎo)光板的厚度、以及增大可以由第一衍射光柵部件衍射和反射的準(zhǔn)直光束的入射角度的范圍。
另外，在這種情況下，第一衍射光柵部件中的衍射光柵層可以具有彼此不同的最小傾斜角度與不同的最大傾斜角度?？商鎿Q地，可以將第一衍射光柵部件的衍射光柵層中的至少一層中的最小傾斜角度設(shè)置為另一衍射光柵層中的最小傾斜角度與最大傾斜角度之間的值，或者，將衍射光柵層的所述至少一層中的最大傾斜角度設(shè)置為所述另一衍射光柵層中的最小傾斜角度與最大傾斜角度之間的值。
作為另一替換方案，當(dāng)將第二衍射光柵部件的中心定義為原點(diǎn)時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的第二衍射光柵部件的法線定義為X軸時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的導(dǎo)光板的軸線定義為Y軸時(shí)，當(dāng)將由用于觀察對(duì)應(yīng)于由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且從導(dǎo)光板釋放的準(zhǔn)直光束組的圖像的X軸上的觀察點(diǎn)與位置最靠近第一衍射光柵部件的準(zhǔn)直光束之一形成的角度定義為張角θq＝θq_0(＞0)時(shí)，以及當(dāng)將觀察點(diǎn)與位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的另一準(zhǔn)直光束形成的角度定義為張角θq＝-θq_0(＜0)時(shí)，其中準(zhǔn)直光束由第q衍射光柵層、隨后由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)，其中q為從中1到Q中選擇的整數(shù)，可以在提供具有最大傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝θq_0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束，并且，可以在提供具有最小傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝-θq_0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的光學(xué)器件包含導(dǎo)光板，其接收包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，該準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板，同時(shí)在其中經(jīng)歷全反射，然后從導(dǎo)光板出射；第一衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板內(nèi)經(jīng)歷全反射；以及第二衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射透射通過(guò)導(dǎo)光板的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板發(fā)射該準(zhǔn)直光束組。當(dāng)?shù)谝谎苌涔鈻挪考僭O(shè)包含由Q層反射體積全息衍射光柵形成的假想衍射光柵層(其中Q為整數(shù))時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層在其表面上具有以等間距排列的干涉條紋，其中所述假想衍射光柵層中的干涉條紋以相同間距排列。當(dāng)將在每個(gè)假想衍射光柵層中的每個(gè)干涉條紋與假想衍射光柵層的每個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層具有以下情形(a)每個(gè)假想衍射光柵層具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)每個(gè)假想衍射光柵層具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小。如果將第一衍射光柵部件從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R個(gè)段，其中R為整數(shù)，則第一衍射光柵部件的第r段RG1_r具有包含Q個(gè)假想衍射光柵層的對(duì)應(yīng)段VG(r，q)的多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)將每個(gè)假想衍射光柵層從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R個(gè)段時(shí)，獲得段VG(r，q)，其中q為從1到Q的范圍中選擇的非冗余任意整數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備包含成像器件；準(zhǔn)直器光學(xué)單元，其被配置來(lái)準(zhǔn)直從成像器件發(fā)射的光束；以及根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件，其接收由準(zhǔn)直器光學(xué)單元沿不同方向準(zhǔn)直并且定向的準(zhǔn)直光束，然后引導(dǎo)并且發(fā)射準(zhǔn)直光束。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，存在以下情況每個(gè)假想衍射光柵層沒(méi)有從含有具有最小傾斜角度的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域延伸到更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)域。在這種情況下，不用考慮條件(a)。相反，存在以下情況每個(gè)假想衍射光柵層沒(méi)有從最小傾斜角度區(qū)域延伸到更靠近第二衍射光柵部件的區(qū)域。在這種情況下，不用考慮條件(b)。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，存在以下情況第一衍射光柵部件中的區(qū)域與段以一一對(duì)應(yīng)的方式相互對(duì)應(yīng)，并且還存在以下情況它們不以一一對(duì)應(yīng)的方式相互對(duì)應(yīng)。以下將在優(yōu)選實(shí)施例的描述中詳細(xì)描述這一點(diǎn)。另外，第一衍射光柵部件可以實(shí)質(zhì)上包含由Q層反射體積全息衍射光柵限定的衍射光柵層，其中Q為整數(shù)。
優(yōu)選地，在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，每個(gè)假想衍射光柵層中的干涉條紋包含P種干涉條紋，以便設(shè)置對(duì)具有不同波長(zhǎng)范圍并且限定準(zhǔn)直光束的P種光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P為整數(shù)。因而，當(dāng)具有不同波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))的準(zhǔn)直光束由第一衍射光柵部件衍射和反射時(shí)，該結(jié)構(gòu)有利于增大衍射效率、增大可接受的衍射角度、以及優(yōu)化衍射角度。無(wú)論準(zhǔn)直光束的波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))如何，衍射和反射特定入射角度的準(zhǔn)直光束的P種干涉條紋均具有相同的傾斜角度。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，當(dāng)將第二衍射光柵部件的中心定義為原點(diǎn)時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的第二衍射光柵部件的法線定義為X軸時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的導(dǎo)光板的軸線定義為Y軸時(shí)，當(dāng)將由用于觀察對(duì)應(yīng)于由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且從導(dǎo)光板釋放的準(zhǔn)直光束組的圖像的X軸上的觀察點(diǎn)與位置最靠近第一衍射光柵部件的假設(shè)的準(zhǔn)直光束之一形成的角度定義為張角θq＝θq_0(＞0)時(shí)，以及當(dāng)將觀察點(diǎn)與位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的另一假設(shè)的準(zhǔn)直光束形成的角度定義為張角θq＝-θq_0(＜0)時(shí)，其中假設(shè)的準(zhǔn)直光束假定由第q衍射光柵層、隨后由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)，其中q為從中1到Q中選擇的整數(shù)，可以在提供具有最大傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝θq_0的假設(shè)的準(zhǔn)直光束的假設(shè)的準(zhǔn)直光束，并且，可以在提供具有最小傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝-θq_0的假設(shè)的準(zhǔn)直光束的假設(shè)的準(zhǔn)直光束。
另外，在以上所有所述本發(fā)明的實(shí)施例中，準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板內(nèi)經(jīng)歷全反射的次數(shù)可以取決于準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板上的入射角度而變化。因而，這有利于減小第一衍射光柵部件在導(dǎo)光板的軸向方向上的長(zhǎng)度、減小導(dǎo)光板的厚度、以及增大可以由第一衍射光柵部件衍射和反射的準(zhǔn)直光束的入射角度的范圍。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，包含沿不同方向定向的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組必須進(jìn)入導(dǎo)光板。必須準(zhǔn)直光束的原因基于以下事實(shí)當(dāng)光束進(jìn)入導(dǎo)光板時(shí)獲得的波前信息必須被保持，即使在光束通過(guò)第一衍射光柵部件與第二衍射光柵部件而從導(dǎo)光板出射以后也如此。詳細(xì)地，為了產(chǎn)生包含多個(gè)沿不同方向定向的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，可以將成像器件置于對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)直器光學(xué)單元的焦距的位置上。準(zhǔn)直器光學(xué)單元具有將對(duì)應(yīng)于從成像器件發(fā)射的光束的像素的位置信息轉(zhuǎn)換為光學(xué)器件的光學(xué)系統(tǒng)中的角度信息的功能。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備中，導(dǎo)光板具有與導(dǎo)光板的軸線平行延伸的兩個(gè)平行的表面(下文中將被稱為第一表面與第二表面)。如果準(zhǔn)直光束進(jìn)入的導(dǎo)光板的表面為入射表面、并且準(zhǔn)直光束從其出射的導(dǎo)光板的表面為出射表面，則入射表面與出射表面兩者都可以由第一表面限定，或者入射表面由第一表面限定，而出射表面由第二表面限定。在前一種情況下，將第一衍射光柵部件與第二衍射光柵部件置于第二表面上。在后一種情況下，將第一衍射光柵部件置于第二表面上，而將二衍射光柵部件置于第一表面上。導(dǎo)光板可以由例如玻璃材料(包含光學(xué)玻璃，例如石英玻璃與BK7)或者塑料材料(例如PMMA、聚碳酸酯樹脂、丙烯酸樹脂、非晶聚丙烯樹脂、以及包含AS樹脂的聚苯乙烯樹脂)形成。
由反射體積全息衍射光柵形成的第一衍射光柵部件與第二衍射光柵部件的材料與基本結(jié)構(gòu)可以與現(xiàn)有技術(shù)中的反射體積全息衍射光柵的材料與基本結(jié)構(gòu)相同。術(shù)語(yǔ)“反射體積全息衍射光柵”表示僅衍射和反射+1級(jí)衍射光的全息衍射光柵。
第一衍射光柵部件被提供有從其內(nèi)部向其表面延伸的干涉條紋。該干涉條紋的形成方法可以與現(xiàn)有技術(shù)中的形成方法相同。詳細(xì)地，例如，用對(duì)象光從第一預(yù)定方向照射第一衍射光柵部件，并且同時(shí)用參照光從第二預(yù)定方向照射第一衍射光柵部件。對(duì)象光與參照光形成在第一衍射光柵部件內(nèi)記錄的干涉條紋。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇第一預(yù)定方向、第二預(yù)定方向、以及對(duì)象光與參照光的適當(dāng)波長(zhǎng)，可以以所希望的傾斜角度、按期望的間距排列第一衍射光柵部件的表面中的干涉條紋。如上所述，根據(jù)第一衍射光柵部件的不同的區(qū)域，向干涉條紋給定各種傾斜角度。
在每個(gè)上述實(shí)施例中，第一衍射光柵部件可以包含由Q層反射體積全息衍射光柵限定的衍射光柵層?？梢酝ㄟ^(guò)以下步驟形成衍射光柵層的多層結(jié)構(gòu)分別形成Q個(gè)衍射光柵層，然后利用例如紫外線可固化粘合劑(ultravioletcurable adhesive)，相互疊放(粘附)Q個(gè)衍射光柵層。可替換地，可以通過(guò)以下步驟形成Q個(gè)衍射光柵層利用粘性光敏聚合物材料形成一個(gè)衍射光柵層，隨后在其上粘附另一層粘性光敏聚合物材料。
在以上所有所述實(shí)施例中，向第一衍射光柵部件中的干涉條紋給定各種傾斜角度。傾斜角度可以按步進(jìn)的方式、或按連續(xù)的方式變化。在前一種情況下，如果將第一衍射光柵部件從最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為S個(gè)區(qū)段，則第一衍射光柵部件的第s(s＝1、2、...、S)區(qū)段RG1_s中的傾斜角度可以是固定的，并且當(dāng)s值不同時(shí)，可以不同地設(shè)置第一衍射光柵部件的區(qū)段RG1_s中的傾斜角度。另一方面，在后一種情況下，干涉條紋的傾斜角度可以逐漸增大。通過(guò)以下步驟可以獲得傾斜角度的這種逐漸的變化利用棱鏡或透鏡而向?qū)ο蠊夂?或參照光給定適當(dāng)?shù)牟ㄇ?，然后使反射體積全息衍射光柵暴露于對(duì)象光和/或參照光。
另一方面，可以向在第二衍射光柵部件中配備的干涉條紋給定固定的傾斜角度或各種傾斜角度。在后一種情況下，優(yōu)選地，傾斜角度朝向第一衍射光柵部件增大。這有利于進(jìn)一步減小顏色與亮度的不均勻性。傾斜角度可以按步進(jìn)的方式或者按連續(xù)的方式變化。換言之，在前一種情況下，如果將第二衍射光柵部件從最靠近第一衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的區(qū)段分為T個(gè)區(qū)段，則第二衍射光柵部件的第t(t＝1，2，...，T)區(qū)段RG2_t中的傾斜角度可以是固定的，并且，此外，當(dāng)t值增大時(shí)，可以增大第二衍射光柵部件的區(qū)段RG2_t中的傾斜角度。另一方面，在后一種情況下，干涉條紋的傾斜角度可以逐漸改變。
以下為在根據(jù)上述實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備中包含的成像器件的例子。一個(gè)例子為成像器件，其包含發(fā)光元件，如有機(jī)EL(電致發(fā)光)元件、非有機(jī)EL元件、以及發(fā)光二極管(LED)。另一個(gè)例子為具有光源(例如LED)以及光閥的組合的成像器件。光閥可以是(例如)數(shù)字微鏡器件(DMD)或者液晶顯示器件，例如LCOS(硅上液晶)。另一個(gè)例子為具有光源以及掃描光學(xué)系統(tǒng)(例如微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)與檢流計(jì)鏡，其水平和垂直地掃描從光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束)的組合的成像器件。
以下為包含發(fā)光元件的成像器件、以及包含光源和光閥的成像器件的特定例子。除非另有說(shuō)明，可以基于成像器件的所期望的規(guī)格確定在成像器件中包含的發(fā)光元件的數(shù)目。
(1)成像器件A成像器件A為彩色顯示類型，其包含第一成像單元，其包括第一發(fā)光元件面板，在第一發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射藍(lán)光的第一發(fā)光元件；第二成像單元，其包括第二發(fā)光元件面板，在第二發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射綠光的第二發(fā)光元件；第三成像單元，其包括第三發(fā)光元件面板，在第三發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射紅光的第三發(fā)光元件；以及組合單元，其被配置來(lái)在單個(gè)光學(xué)路徑上組合從第一成像單元、第二成像單元、以及第三成像單元發(fā)射的光。該組合單元可以是例如二向色棱鏡(dichroic prism)，其可以在以下所述的例子中類似地使用。成像器件A在發(fā)光與不發(fā)光模式之間控制第一成像單元、第二成像單元、以及第三成像單元。
(2)成像器件B成像器件B為彩色顯示類型，其包含第一成像單元，其包括發(fā)射藍(lán)光的第一發(fā)光元件，以及被配置來(lái)控制從第一發(fā)光元件發(fā)射的藍(lán)光的透射/不透射的第一光透射控制器(其為光閥類型，如液晶顯示器件、數(shù)字微鏡器件(DMD)、以及LCOS(硅上液晶)，其可以在以下所述的例子中類似地使用)；第二成像單元，其包括發(fā)射綠光的第二發(fā)光元件，以及被配置來(lái)控制從第二發(fā)光元件發(fā)射的綠光的透射/不透射的第二光透射控制器(光閥)；第三成像單元，其包括發(fā)射紅光的第三發(fā)光元件，以及被配置來(lái)控制從第三發(fā)光元件發(fā)射的紅光的透射/不透射的第三光透射控制器(光閥)；以及組合單元，其被配置來(lái)在單個(gè)光學(xué)路徑上組合透射通過(guò)第一光透射控制器、第二光透射控制器、以及第三光透射控制器的光。通過(guò)利用光透射控制器而控制從發(fā)光元件發(fā)射的光的透射/不透射，來(lái)顯示圖像。作為被配置來(lái)引導(dǎo)從第一成像單元、第二成像單元、以及第三成像單元發(fā)射的光朝向?qū)?yīng)的光透射控制器的引導(dǎo)單元，可以使用例如導(dǎo)光元件、微透鏡陣列、反射鏡(mirror)、反射板、或者匯聚透鏡。
(3)成像器件C成像器件C為彩色顯示類型，其包含第一成像單元，其包括第一發(fā)光元件面板、以及被配置來(lái)控制從第一發(fā)光元件發(fā)射的藍(lán)光的透射/不透射的藍(lán)光透射控制器(光閥)，在第一發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射藍(lán)光的第一發(fā)光元件；第二成像單元，其包括第二發(fā)光元件面板、以及被配置來(lái)控制從第二發(fā)光元件發(fā)射的綠光的透射/不透射的綠光透射控制器(光閥)，在第二發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射綠光的第二發(fā)光元件；第三成像單元，其包括第三發(fā)光元件面板、以及被配置來(lái)控制從第三發(fā)光元件發(fā)射的紅光的透射/不透射的紅光透射控制器(光閥)，在第三發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射紅光的第三發(fā)光元件；以及組合單元，其被配置來(lái)在單個(gè)光學(xué)路徑上組合透射通過(guò)藍(lán)光透射控制器、綠光透射控制器、以及紅光透射控制器的光。通過(guò)利用光透射控制器(光閥)而控制從第一發(fā)光元件面板、第二發(fā)光元件面板、以及第三發(fā)光元件面板發(fā)射的光的透射/不透射，來(lái)顯示圖像。
(4)成像器件D成像器件D為場(chǎng)順序彩色顯示類型，其包含被提供有發(fā)射藍(lán)光的第一發(fā)光元件的第一成像單元；被提供有發(fā)射綠光的第二發(fā)光元件的第二成像單元；被提供有發(fā)射紅光的第三發(fā)光元件的第三成像單元；組合單元，其被配置來(lái)在單個(gè)光學(xué)路徑上組合從第一成像單元、第二成像單元、以及第三成像單元發(fā)射的光；以及光透射控制器(光閥)，其被配置來(lái)控制從組合單元發(fā)射的組合光的透射/不透射。通過(guò)利用光透射控制器而控制從發(fā)光元件發(fā)射的光的透射/不透射，來(lái)顯示圖像。
(5)成像器件E成像器件E為場(chǎng)順序彩色顯示類型，其包含第一成像單元，其包括第一發(fā)光元件面板，在第一發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射藍(lán)光的第一發(fā)光元件；第二成像單元，其包括第二發(fā)光元件面板，在第二發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射綠光的第二發(fā)光元件；第三成像單元，其包括第三發(fā)光元件面板，在第三發(fā)光元件面板中以二維矩陣方式排列發(fā)射紅光的第三發(fā)光元件；組合單元，其被配置來(lái)在單個(gè)光學(xué)路徑上組合從第一成像單元、第二成像單元、以及第三成像單元發(fā)射的光；以及光透射控制器(光閥)，其被配置來(lái)控制從組合單元發(fā)射的組合光的透射/不透射。通過(guò)利用光透射控制器而控制從發(fā)光元件發(fā)射的光的透射/不透射，來(lái)顯示圖像。
(6)成像器件F成像器件F為無(wú)源矩陣或有源矩陣彩色顯示類型，其通過(guò)控制第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件、以及第三發(fā)光元件的透射/不透射模式，來(lái)顯示圖像。
(7)成像器件G成像器件G為場(chǎng)順序彩色顯示類型，其包含光透射控制器(光閥)，其被配置來(lái)從以二維矩陣方式排列的發(fā)光單元發(fā)射的光的透射/不透射。該器件以時(shí)分方式控制在發(fā)光單元中包含的第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件、以及第三發(fā)光元件的透射/不透射模式，并且，通過(guò)利用光透射控制器而控制從第一發(fā)光元件、第二發(fā)光元件、以及第三發(fā)光元件發(fā)射的光的透射/不透射，來(lái)顯示圖像。
在根據(jù)本發(fā)明的上述實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備中包含的準(zhǔn)直器光學(xué)單元為具有正光學(xué)功率的光學(xué)單元，并且可以由凸透鏡、凹透鏡、自由形式表面棱鏡、全息透鏡、或者這些光學(xué)元件的組合形成。
根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)器件可以并入例如安裝在頭部上的顯示器(HMD)。另外，根據(jù)本發(fā)明的上述實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備可以是例如HMD。這有利于輕型且緊密的結(jié)構(gòu)，并且安裝的麻煩較少，并還有利于減小制造成本。
從成像器件發(fā)射、并且透射通過(guò)準(zhǔn)直器光學(xué)單元的多個(gè)準(zhǔn)直光束依賴于來(lái)自成像器件的發(fā)射位置，具有相對(duì)于第一衍射光柵部件的各種入射角度。在具有傾斜角度固定的干涉條紋的第一衍射光柵部件中，滿足布拉格條件的衍射波長(zhǎng)在第一衍射光柵部件的每個(gè)區(qū)域中都不同。在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，向第一衍射光柵部件中的干涉條紋給定各種傾斜角度，使得即使準(zhǔn)直光束以不同的入射角度進(jìn)入第一衍射光柵部件，在第一衍射光柵部件的每個(gè)區(qū)域中也都滿足布拉格條件。因此，在第一衍射光柵部件的每個(gè)區(qū)域中，可以使特定波長(zhǎng)范圍的衍射效率恒定在最大的程度。這減小了在根據(jù)成像器件中的像素位置而導(dǎo)向眼睛的像素圖像中出現(xiàn)不均勻上色或亮度的可能性。另外，通過(guò)將第一衍射光柵部件的預(yù)定區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度設(shè)置為預(yù)定值，可以將在第一衍射光柵部件上入射、并且由第一衍射光柵部件衍射和反射的準(zhǔn)直光束適當(dāng)?shù)貙?dǎo)向第二衍射光柵部件的預(yù)定區(qū)域。另外，通過(guò)向第一衍射光柵部件給定包含Q個(gè)衍射光柵層的多層結(jié)構(gòu)，可以在導(dǎo)光板的軸向方向上減小第一衍射光柵部件的長(zhǎng)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的張角。


圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)器件以及圖像顯示設(shè)備；圖2A為顯示在第一實(shí)施例中的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射的次數(shù)、張角θ、以及準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件上的入射位置之間的關(guān)系的圖，并且，圖2B和2C為根據(jù)第一實(shí)施例的第一衍射光柵部件的示意剖面圖；圖3A為顯示在第二實(shí)施例中的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射的次數(shù)、張角θ、以及準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件上的入射位置之間的關(guān)系的圖，并且，圖3B為根據(jù)第二實(shí)施例的第一衍射光柵部件的示意剖面圖；圖4A為顯示在第三實(shí)施例中的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射的次數(shù)、張角θ、以及準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件上的入射位置之間的關(guān)系的圖，并且，圖4B為根據(jù)第三實(shí)施例的第一衍射光柵部件的示意剖面圖；圖5A為顯示在第四實(shí)施例中的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射的次數(shù)、張角θ、以及準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件上的入射位置之間的關(guān)系的圖，并且，圖5B為根據(jù)第四實(shí)施例的第一衍射光柵部件的示意剖面圖；圖6示意性地顯示了第一衍射光柵部件區(qū)域中衍射效率的角度特性重疊的狀態(tài)；圖7A為顯示根據(jù)第四實(shí)施例的修改例的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射的次數(shù)、張角θ、以及準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件上的入射位置之間的關(guān)系的圖，并且，圖7B為根據(jù)第四實(shí)施例的修改例的第一衍射光柵部件的示意剖面圖；圖8A為根據(jù)第五實(shí)施例的光學(xué)器件中的第一衍射光柵部件的示意剖面圖，圖8B為當(dāng)假想衍射光柵層被假設(shè)為相互疊放時(shí)、在第一衍射光柵部件中包含的假想衍射光柵層的示意剖面圖，并且，圖8C為根據(jù)第五實(shí)施例的光學(xué)器件中的修改后的第一衍射光柵部件的示意剖面圖；
圖9示意性地顯示了準(zhǔn)直光束在圖8A所示的具有多層結(jié)構(gòu)的第一衍射光柵部件上入射的情況；圖10顯示了是否衍射和反射入射到多層結(jié)構(gòu)的衍射光柵層的光束；圖11示意性地顯示了在PCT日本譯文專利公開號(hào)8-507879中公開的虛像顯示設(shè)備；圖12A與12B示意性地顯示了在日本待審專利申請(qǐng)公開號(hào)2002-162598中公開的虛像顯示設(shè)備；圖13示意性地顯示了在日本專利申請(qǐng)?zhí)?004-97222中公開的虛像顯示設(shè)備；以及圖14示意性地顯示了從定義虛像顯示設(shè)備的圖像顯示設(shè)備發(fā)射的用于成像的光的波長(zhǎng)譜。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，參照附圖而描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
第一實(shí)施例本發(fā)明的第一實(shí)施例涉及光學(xué)器件、以及圖像顯示設(shè)備。圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)器件20以及圖像顯示設(shè)備10。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備10包括成像器件11；準(zhǔn)直器光學(xué)單元12，其被配置來(lái)準(zhǔn)直從成像器件11發(fā)射的光束；以及光學(xué)器件20，其接收由準(zhǔn)直器光學(xué)單元12沿不同方向準(zhǔn)直和定向的多個(gè)準(zhǔn)直光束，然后，引導(dǎo)并且發(fā)射準(zhǔn)直光束。例如，成像器件11為液晶顯示器件(LCD)。例如，準(zhǔn)直器光學(xué)單元12為凸透鏡。為了產(chǎn)生包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，將成像器件11置于對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)直器光學(xué)單元12焦距的位置上。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)器件20包括導(dǎo)光板21、第一衍射光柵部件30、以及第二衍射光柵部件40。具體地，包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組進(jìn)入導(dǎo)光板21，在其中經(jīng)歷全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板21，并且從導(dǎo)光板21出射。第一衍射光柵部件30包括反射體積(reflectivevolume)全息衍射光柵，其衍射和反射在導(dǎo)光板21上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板21中經(jīng)歷全反射。第二衍射光柵部件40包括反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在其中經(jīng)歷全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板21的準(zhǔn)直光束組，并且，直接從導(dǎo)光板21發(fā)射準(zhǔn)直光束組。
參照?qǐng)D2B的示意性剖面圖，第一衍射光柵部件30具有從第一衍射光柵部件30內(nèi)部向其表面延伸的干涉條紋31。在第一衍射光柵部件30表面上的干涉條紋31以等間距排列。
參照?qǐng)D2B、或圖2C的示意性剖面圖(還參照第二實(shí)施例的圖3B)，當(dāng)在第一衍射光柵部件30中的每個(gè)干涉條紋31與第一衍射光柵部件30的一個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，第一衍射光柵部件30可以具有以下情形(a)第一衍射光柵部件30具有最小傾斜角度區(qū)域RGMIN，其含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋31；以及外部區(qū)域RGOUT，其位置比最小傾斜角度區(qū)域RGMIN遠(yuǎn)離第二透射體積全息衍射光柵304，并且外部區(qū)域RGOUT中的干涉條紋31的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN的距離的增大而增大，以及(b)第一衍射光柵部件30具有內(nèi)部區(qū)域RGIN，其位置比最小傾斜角度區(qū)域RGMIN更接近第二衍射光柵部件40，并且內(nèi)部區(qū)域RGIN中的干涉條紋31的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域RGMIN放置的內(nèi)部區(qū)域RGIN-NEAR中的最大傾斜角度MAX，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN的距離的增大而減小。
參照?qǐng)D1，以下將描述導(dǎo)光板21內(nèi)的準(zhǔn)直光束的工作情況。在包括對(duì)第二到第五實(shí)施例的描述的以下描述中使用的術(shù)語(yǔ)“全反射”表示全部?jī)?nèi)反射或者導(dǎo)光板內(nèi)的全反射。
第二衍射光柵部件40的中心由原點(diǎn)O定義。將把延伸通過(guò)原點(diǎn)O的第二衍射光柵部件40的法線定義為X軸。將把延伸通過(guò)原點(diǎn)O的導(dǎo)光板21的軸線定義為Y軸。另外，觀察與由第二衍射光柵部件40衍射和反射、并從導(dǎo)光板21釋放的準(zhǔn)直光束組相對(duì)應(yīng)的圖像的眼睛50假定存在于X軸上的一點(diǎn)處。眼睛50的X坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)于眼睛間隙d。為了簡(jiǎn)化以下描述，下面將描述位于X-Y平面內(nèi)的準(zhǔn)直光束。另外，將從原點(diǎn)O到靠近第二衍射光柵部件40的第一衍射光柵部件30的一端的距離稱為L(zhǎng)1，并且，將從原點(diǎn)O到遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40的第一衍射光柵部件30的一端的距離稱為L(zhǎng)2。
光束r1(由實(shí)線指示)、光束r2(由點(diǎn)劃線指示)、以及光束r3(由虛線指示)從成像器件11發(fā)射，并且透射通過(guò)準(zhǔn)直器光學(xué)單元12，其中，光束r1至r3分別變?yōu)槿肷浣?θIN(＞0)、入射角+0(°)、以及入射角-θIN(＜0)的準(zhǔn)直光束。隨后，準(zhǔn)直光束進(jìn)入導(dǎo)光板21，然后，進(jìn)入第一衍射光柵部件30。準(zhǔn)直光束被第一衍射光柵部件30衍射和反射，并且，在導(dǎo)光板21內(nèi)經(jīng)歷全反射的同時(shí)向第二衍射光柵部件40行進(jìn)。隨后，準(zhǔn)直光束進(jìn)入第二衍射光柵部件40，然后，分別以-θ0(＜0)的張角θ、0(°)張角θ、以及+θ0(＞0)的張角θ進(jìn)入眼睛50的中心。以入射角θ在導(dǎo)光板21上入射的每個(gè)準(zhǔn)直光束以張角θ(＝入射角[-θ])從導(dǎo)光板21釋放。在這種情況下，準(zhǔn)直光束r1、r2、r3穿過(guò)導(dǎo)光板21，同時(shí)，分別基于不同的全反射角度α1、α2、α3、在不同的全反射點(diǎn)處、且以不同的次數(shù)經(jīng)歷全反射。準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第一表面21A(即，與第二表面21B相對(duì)的表面)的全反射，然后，經(jīng)歷離開第二表面21B(即，在其上放置第一衍射光柵部件30和第二衍射光柵部件40的導(dǎo)光板21的表面)的全反射。在這種情況下，第二表面21B上的全反射點(diǎn)(與原點(diǎn)O的距離L)與全反射的次數(shù)之間的關(guān)系由以下表達(dá)式(1)表示L＝Lf-2×N×t×tan(α) ...(1)其中，Lf表示每個(gè)準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件30上的入射點(diǎn)(即，與原點(diǎn)O的距離)，t表示導(dǎo)光板21的厚度，并且，α表示準(zhǔn)直光束的全反射角度。
相應(yīng)地，對(duì)于具有不同的全反射角度α1、α2、以及α3的準(zhǔn)直光束r1、r2、r3的關(guān)系表達(dá)式(1)分別由以下表達(dá)式(2-1)、(2-2)、以及(2-3)表示Le_1＝Lf_1-2×N1×t×tan(α1)...(2-1)Le_2＝Lf_2-2×N2×t×tan(α2)...(2-2)Le_3＝Lf_3-2×N3×t×tan(α3)...(2-3)其中，Lf_1、Lf_2和Lf_3表示對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件30上的入射點(diǎn)(這些入射點(diǎn)為第一內(nèi)反射點(diǎn)，并且對(duì)應(yīng)于與原點(diǎn)O的距離)，Le_1、Le_2和Le_3表示對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直光束在第二衍射光柵部件40上的入射點(diǎn)(這些入射點(diǎn)為最后的內(nèi)反射點(diǎn)，并且對(duì)應(yīng)于與原點(diǎn)O的距離)，并且，N1、N2和N3各自表示全反射的次數(shù)。
從圖1中可以清楚地看出，Le_1、Le_2和Le_3中的每個(gè)都基于張角θ與眼睛間隙d之間的關(guān)系被唯一地確定，從而每個(gè)準(zhǔn)直光束進(jìn)入眼睛50的中心部分。另外，N1、N2和N3為正整數(shù)。這些關(guān)系表達(dá)式依賴于各種條件，如導(dǎo)光板21的厚度t、接收準(zhǔn)直光束的第一衍射光柵部件30的L1與L2之間的范圍、以及分別根據(jù)張角θ和第一衍射光柵部件30中的干涉條紋31的間距而確定的全反射角度α1、α2和α3。因此，優(yōu)選地，以實(shí)際方式確定這些變量。
在下表1中示出的條件下，張角θ在-8°與+8°的范圍之間按度數(shù)來(lái)計(jì)數(shù)。表2示出了第二衍射光柵部件40中的干涉條紋的傾斜分布的計(jì)算結(jié)果，其在每個(gè)張角θ上、在相同波長(zhǎng)上滿足布拉格(Bragg)條件。一般地，當(dāng)準(zhǔn)直光束按入射角度ΨIN進(jìn)入衍射光柵部件、并且按出射角度ΨOUT衍射和反射時(shí)衍射效率最大的干涉條紋的傾斜角度MAX可以由以下表達(dá)式(3)表示MAX＝(ΨOUT+ΨIN)/2 ...(3)該表達(dá)式(3)可以基于布拉格條件導(dǎo)出。
在第一實(shí)施例中、或者在下述的第二到第五實(shí)施例中的每個(gè)中的第二衍射光柵部件40的干涉條紋根據(jù)表2所示的傾斜角度值而形成。詳細(xì)地，第二衍射光柵部件40的干涉條紋局有朝向第一衍射光柵部件30變大的傾斜角度。這有利于進(jìn)一步減小顏色與亮度的不均勻性。傾斜角度可以步進(jìn)方式、或以連續(xù)方式增大。具體地，在傾斜角度以步進(jìn)方式增大的情況下，如果第二衍射光柵部件40在離開第一衍射光柵部件30最遠(yuǎn)的位置和距離第一衍射光柵部件30最近的位置之間被劃分為T個(gè)區(qū)段，則第二衍射光柵部件40的第t(t＝1，2，...，T)區(qū)段RG2_t的傾斜角度可為固定的，并且，另外，第二衍射光柵部件40的區(qū)段RG2_t的傾斜角度可以隨著t值的增大而增大。另一方面，如果傾斜角度以連續(xù)方式增大，則干涉條紋的傾斜角度可以逐漸增大。



從表2中可以清楚地看出，隨著張角θ增大，第二衍射光柵部件40中的傾斜角度增大。換言之，張角θ的值越小，全反射角度α的值便越小，使得對(duì)應(yīng)于此張角θ的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板21內(nèi)經(jīng)歷全反射的次數(shù)N增加。相反，張角θ的值越大，全反射角度α便越大，使得對(duì)應(yīng)于此張角θ的準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板21內(nèi)經(jīng)歷全反射的次數(shù)N減少。
圖2A為顯示在第一衍射光柵部件30中的哪一點(diǎn)處具有522nm的波長(zhǎng)λ的準(zhǔn)直光束在進(jìn)入眼睛50的中心之前被衍射和反射、并且還顯示準(zhǔn)直光束在到達(dá)眼睛50之前經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的全反射的次數(shù)的圖。該圖與以下實(shí)施例的等價(jià)圖都根據(jù)表達(dá)式(1)求得。另外，這些圖中每一個(gè)的縱軸都表示距離L，橫軸表示張角θ。
在第一實(shí)施例中，導(dǎo)光板21的厚度t、眼睛間隙d、第一衍射光柵部件30中的干涉條紋的間距、張角θ0、以及張角-θ0如下表3所示而設(shè)置。


在圖2A中，向上傾斜的實(shí)曲線[1]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為3的情況，并且，向上傾斜的虛曲線[2]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為4的情況。
圖中沿橫軸的負(fù)方向(對(duì)應(yīng)于張角θ，也對(duì)應(yīng)于入射角[-θ])為其中第一衍射光柵部件30的干涉條紋31的傾斜角度(其滿足相同波長(zhǎng)上的布拉格條件)相對(duì)變小的方向。相反，圖中沿橫軸的正方向(對(duì)應(yīng)于張角θ，也對(duì)應(yīng)于入射角[-θ])為其中第一衍射光柵部件30的干涉條紋31的傾斜角度(其滿足相同波長(zhǎng)上的布拉格條件)相對(duì)變大的方向。因此，圖上顯示的曲線從左向右增大這一事實(shí)意味著第一衍射光柵部件30的干涉條紋31的傾斜角度(其衍射和反射相同波長(zhǎng)上的準(zhǔn)直光束)隨著張角θ沿正方向的改變而增大。另外，這還意味著從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵部件30的區(qū)域的距離逐漸增大。
更具體地，參照?qǐng)D2A，例如，對(duì)應(yīng)于張角θ(＝入射角[-θ])為3°的準(zhǔn)直光束在第一衍射光柵部件30的點(diǎn)A(L≈40mm)處進(jìn)入第一衍射光柵部件30，并且，在第一衍射光柵部件30這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的三次全反射，然后進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。另外，對(duì)應(yīng)于張角θ(＝入射角[-θ])為3°的準(zhǔn)直光束還在點(diǎn)B(L≈60mm)處進(jìn)入第一衍射光柵部件30，并且，在第一衍射光柵部件30的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的四次全反射，然后進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。因而，在第一衍射光柵部件30中，對(duì)于3°的張角θ(＝入射角[-θ])，點(diǎn)B(L≈60mm)區(qū)域內(nèi)的干涉條紋31的傾斜角度可以被設(shè)置為30.4°。由此，準(zhǔn)直光束在導(dǎo)光板21內(nèi)經(jīng)歷全反射的次數(shù)根據(jù)準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板21上的入射角度而變化。
類似地，以下的表4顯示出距離L、張角θ、以及傾斜角度之間的關(guān)系。


在圖2A所示的例子中，基于虛線曲線[2](其中，全反射的次數(shù)N為4)而確定對(duì)應(yīng)于張角θ的傾斜角度。在對(duì)應(yīng)于距離L的第一衍射光柵部件30的區(qū)域中，提供具有所確定的傾斜角度的干涉條紋31中的每個(gè)。圖2B為第一衍射光柵部件30的示意剖面圖，其中，這樣的干涉條紋31的傾斜角度根據(jù)距離L的增大而連續(xù)且單調(diào)地增大。
可替換地，傾斜角度可以步進(jìn)方式改變。具體地，圖2C為第一衍射光柵部件30的示意剖面圖，其中，第一衍射光柵部件30在導(dǎo)光板21的軸向方向上被分為S個(gè)區(qū)段(S＝6)。在這種情況下，第一衍射光柵部件30的第s(s＝1、2、...、6)區(qū)段RG1_s中的傾斜角度1_s可以是固定的，并且，當(dāng)s值不同時(shí)，不同地設(shè)置第一衍射光柵部件30的區(qū)段RG1_s中的傾斜角度1_s。下面的表5顯示出每個(gè)區(qū)段RG1_s的距離L1_s的范圍、張角θ1_s(＝入射角度[-θ]1_s)、與傾斜角度1_s之間的關(guān)系。


當(dāng)在第一衍射光柵部件30中的每個(gè)干涉條紋31與第一衍射光柵部件30的一個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，在圖2B所示的第一衍射光柵部件30的例子中，在外部區(qū)域RGOUT(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN(對(duì)應(yīng)于張角θ＝入射角[-θ]＝-4.0°)的干涉條紋31的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于點(diǎn)C，L＝40mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中提供的干涉條紋31具有隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN的距離的增大而增大的傾斜角度。在這種情況下，因?yàn)榈谝谎苌涔鈻挪考?0不具有從最小傾斜角度區(qū)域RGMIN向更靠近第二衍射光柵部件40而延伸的區(qū)域，所以，不用考慮上述條件(b)。
另外，對(duì)于由第二衍射光柵部件40衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)的準(zhǔn)直光束，當(dāng)在第二衍射光柵部件40與最接近第一衍射光柵部件30的準(zhǔn)直光束之間形成的角度被定義為張角θ＝θ0(＞0)、并且第二衍射光柵部件40與最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件30的準(zhǔn)直光束之間形成的角度被定義為張角θ＝-θ0(＜0)時(shí)，第一衍射光柵部件30的區(qū)域(對(duì)應(yīng)于點(diǎn)D，L＝65mm)(其中，衍射和反射對(duì)應(yīng)于被給定張角θ＝θ0的準(zhǔn)直光束)含有具有最大傾斜角度(對(duì)應(yīng)于張角θ＝入射角[-θ]＝4.0°)的干涉條紋，并且，第一衍射光柵部件30的區(qū)域(對(duì)應(yīng)于點(diǎn)C，L＝40mm)(其中，衍射和反射對(duì)應(yīng)于被給定張角θ＝-θ0的準(zhǔn)直光束)含有具有最小傾斜角度(對(duì)應(yīng)于張角θ＝入射角[-θ]＝-4.0°)的干涉條紋。
第二實(shí)施例第二實(shí)施例為第一實(shí)施例的修改。在第二實(shí)施例中，將第一實(shí)施例的表3中所示的各種參數(shù)改變?yōu)橐韵卤?所示的參數(shù)。


圖3A為顯示在第一衍射光柵部件30中的哪一點(diǎn)處具有522nm的波長(zhǎng)λ的準(zhǔn)直光束在進(jìn)入眼睛50中心之前被衍射和反射、并且還顯示準(zhǔn)直光束在到達(dá)眼睛50之前經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的全反射的次數(shù)的圖。
在圖3A中，向上傾斜的實(shí)曲線[1]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為3的情況，并且，向上傾斜的虛曲線[2]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為4的情況。如在第一實(shí)施例中所述，圖上顯示的曲線從左向右增大這一事實(shí)意味著第一衍射光柵部件30的干涉條紋31(其衍射和反射相同波長(zhǎng)上的準(zhǔn)直光束)的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大。另外，這還意味著從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵部件30的區(qū)域的距離逐漸增大。
例如，對(duì)應(yīng)于0.2°到3.5°范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈40到50mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵部件30，并且，在第一衍射光柵部件30的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的三次全反射，然后，進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。在這種情況下，第一衍射光柵部件30(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋31的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵部件30的區(qū)域的距離逐漸增大。
另一方面，如果張角θ為0.2°或者更小，則對(duì)應(yīng)于-3.5°到0.2°范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈49到60mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵部件30，并且在第一衍射光柵部件30這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的四次全反射，然后進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。類似地，在這種情況下，第一衍射光柵部件30的干涉條紋31(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵部件30的區(qū)域的距離逐漸增大。
以下的表7顯示出距離L、張角θ、以及傾斜角度之間的關(guān)系。


第一衍射光柵部件30中的L≈49mm的區(qū)域(其為對(duì)應(yīng)于張角θ＝-θ0＝3.5°的準(zhǔn)直光束進(jìn)入的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋31。在第一衍射光柵部件30的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝60mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋31的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈49mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋31的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈49mm)的距離的增大而增大。
另一方面，在第一衍射光柵部件30的內(nèi)部區(qū)域RGIN(其位置比最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈49mm)更靠近第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋31具有隨著與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN的距離的增大而減小的傾斜角度，并且，在鄰近最小傾斜角度區(qū)域RGMIN放置的內(nèi)部區(qū)域RGIN-NEAR中包含具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋31。
外部區(qū)域RGOUT中的傾斜角度可以隨距離L的增大而連續(xù)且單調(diào)地增大，并且，內(nèi)部區(qū)域RGIN中的傾斜角度可以類似地隨著距離L的增大而連續(xù)且單調(diào)地增大?？商鎿Q地，如圖3B中的第一衍射光柵部件30的示意剖面圖所示，外部區(qū)域RGOUT中的傾斜角度可以隨距離L的增大而以步進(jìn)且單調(diào)的方式增大，并且，內(nèi)部區(qū)域RGIN中的傾斜角度可以類似地隨距離L的增大而以步進(jìn)且單調(diào)的方式增大。換言之，可以將第一衍射光柵部件30沿導(dǎo)光板21的軸向方向分為S個(gè)區(qū)段(S＝6)。在這種情況下，第一衍射光柵部件30的第s(s＝1、2、...、6)區(qū)段RG1_s中的傾斜角度1_s可以是固定的，并且，當(dāng)s值不同時(shí)，可以不同地設(shè)置第一衍射光柵部件30的區(qū)段RG1_s中的傾斜角度1_s。以下的表8顯示出每個(gè)區(qū)段RG1_s的距離L1_s的范圍、張角θ1_s(＝入射角度[-θ]1_s)、以及傾斜角度1_s之間的關(guān)系。


在第二實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于張角θ為0.15°或更小的準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的四次全反射，然而，對(duì)應(yīng)于張角θ為0.15°或更大的準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的三次全反射。
第三實(shí)施例第三實(shí)施例也為第一實(shí)施例的修改。在第三實(shí)施例中，將第一實(shí)施例的表3中所示的各種參數(shù)改變?yōu)橐韵卤?所示的參數(shù)。


在第三實(shí)施例中，第一衍射光柵部件30包含由Q層反射體積全息衍射光柵(在第三實(shí)施例中Q＝2)限定的衍射光柵層30A、30B。在第一衍射光柵部件30中包含的衍射光柵層30A、30B中的每個(gè)具有從衍射光柵層30A、30B內(nèi)向其表面延伸的干涉條紋31。第一衍射光柵部件30衍射光柵層30A、30B中的每個(gè)的表面上的干涉條紋等間距排列。另外，衍射光柵層30A中的干涉條紋的間距與衍射光柵層30B中的干涉條紋的間距相同。
第一衍射光柵部件30的衍射光柵層30A、30B具有彼此不同的最小傾斜角度MIN和不同的最大傾斜角度MAX。
圖4A為顯示在第一衍射光柵部件30中的哪一點(diǎn)處具有522nm的波長(zhǎng)λ的準(zhǔn)直光束在進(jìn)入眼睛50的中心之前被衍射和反射、并且還顯示準(zhǔn)直光束在到達(dá)眼睛50之前經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的全反射的次數(shù)的圖。
在圖4A中，向上傾斜的實(shí)曲線[1]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為3的情況，并且，向上傾斜的虛曲線[2]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為4的情況。如在第一實(shí)施例中所述，圖上顯示的曲線從左向右增大這一事實(shí)意味著第一衍射光柵部件30(其衍射和反射相同波長(zhǎng)上的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋31的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大。另外，這還意味著從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵部件30的區(qū)域的距離逐漸增大。
例如，對(duì)應(yīng)于1.3°到6.0°范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈36到51mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第二衍射光柵層30B，并且，在第二衍射光柵層30B的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的三次全反射，然后，進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。在這種情況下，第二衍射光柵層30B(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋31的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第二衍射光柵層30B的區(qū)域的距離逐漸增大。
另一方面，如果張角θ為1.3°或者更小，則對(duì)應(yīng)于-6.0°到1.3°的范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈36mm到52mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵層30A，并且，在第一衍射光柵層30A這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的四次全反射，然后，進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。類似地，在這種情況下，第一衍射光柵層30A(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋31的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵層30A區(qū)域的距離逐漸增大。
雖然存在對(duì)應(yīng)于-6.0°到1.3°的范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束可能進(jìn)入第二衍射光柵層30B的情況，但是，這樣的準(zhǔn)直光束很少被第二衍射光柵層30B衍射和反射，這是因?yàn)?，在第二衍射光柵?0B內(nèi)對(duì)這樣的準(zhǔn)直光束的衍射效率較低。同樣地，存在對(duì)應(yīng)于1.3°到6.0°的范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束可能進(jìn)入第一衍射光柵層30A的情況。然而，因?yàn)榈谝谎苌涔鈻艑?0A內(nèi)對(duì)這樣的準(zhǔn)直光束的衍射效率較低，所以，這樣的準(zhǔn)直光束很少被第一衍射光柵層30A衍射和反射。
第一衍射光柵層30A中的L≈36mm的區(qū)域(其為對(duì)應(yīng)于張角θ1＝-θ1_0＝-6.0°的準(zhǔn)直光束被衍射和反射的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋。在第一衍射光柵層30A的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝52mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈36mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈36mm)的距離的增大而增大。另外，第一衍射光柵層30A的區(qū)域(對(duì)應(yīng)于L＝52mm的區(qū)域)(其中，對(duì)應(yīng)于要給定張角θ1＝-θ1_0的準(zhǔn)直光束被衍射和反射)含有具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋。
另一方面，在第二衍射光柵層30B中的L≈36mm區(qū)域(其為衍射和反射對(duì)應(yīng)于張角θ2＝-θ2_0＝1.3°的準(zhǔn)直光束的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋。在第二衍射光柵層30B的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝51mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈36mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈36mm)的距離的增大而增大。另外，第二衍射光柵層30B(對(duì)應(yīng)于L＝51mm的區(qū)域)(其中對(duì)應(yīng)于要給定張角θ2＝-θ2_0的準(zhǔn)直光束被衍射和反射)含有具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋。
在這種情況下，因?yàn)槊總€(gè)衍射光柵層不具有從最小傾斜角度區(qū)域RGMIN向更靠近第二衍射光柵部件40而延伸的區(qū)域，所以，不用考慮上面在第一實(shí)施例中描述的條件(b)。
外部區(qū)域RGOUT中的傾斜角度可以隨距離L的增大而連續(xù)且單調(diào)地增大?？商鎿Q地，如圖4B中的第一衍射光柵部件30的示意剖面圖所示，外部區(qū)域RGOUT中的傾斜角度可以隨距離L的增大而以步進(jìn)且單調(diào)的方式增大。換言之，可以將第一衍射光柵部件30沿導(dǎo)光板21的軸向方向分為S個(gè)區(qū)段(S＝6)。在這種情況下，第一衍射光柵層30A的第s(s＝1、2、...、6)區(qū)段RG(q，s)[RG(1，1)，RG(1，2)，RG(1，3)，RG(1，4)，RG(1，5)，RG(1，6)]中的傾斜角度可以是固定的，并且，第二衍射光柵層30B的第s區(qū)段RG(q，s)[RG(2，1)，RG(2，2)，RG(2，3)，RG(2，4)，RG(2，5)，RG(2，6)]中的傾斜角度可以是固定的。另外，當(dāng)s值不同時(shí)，可以不同地設(shè)置衍射光柵層30A、30B的區(qū)段中的傾斜角度。另外，可以顛倒第一衍射光柵層30A與第二衍射光柵層30B的疊放次序。以下的表10顯示出每個(gè)區(qū)段RG(q，s)的距離L1_s的范圍、張角θ1_s(＝入射角度[-θ]1_s)、以及傾斜角度1_s之間的關(guān)系。
全反射3次

全反射4次

在第三實(shí)施例中，給定第一衍射光柵部件30多層結(jié)構(gòu)，從而可以沿導(dǎo)光板21的軸向方向減小第一衍射光柵部件30的長(zhǎng)度、同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的張角。
第四實(shí)施例第四實(shí)施例也為第一實(shí)施例的修改。在第四實(shí)施例中，將第一實(shí)施例的表3中所示的各種參數(shù)改變?yōu)橐韵碌谋?1所示的參數(shù)。


在第四實(shí)施例中，第一衍射光柵部件30包含由Q層反射體積全息衍射光柵(在第四實(shí)施例中Q＝4)限定的衍射光柵層30A、30B、30C、30D。在第一衍射光柵部件30中包含的衍射光柵層30A、30B、30C、30D中的每個(gè)具有從衍射光柵層30A、30B、30C、30D內(nèi)向其表面延伸的干涉條紋。第一衍射光柵部件30的衍射光柵層30A、30B、30C、30D中的每個(gè)的表面上的干涉條紋等間距排列。另外，衍射光柵層30A、30B、30C、30D中的干涉條紋以相同間距排列。
第一衍射光柵部件30的衍射光柵層30A、30B、30C、30D、30C、30D具有彼此不同的最小傾斜角度MIN、以及不同的最大傾斜角度MAX。
圖5A為顯示在第一衍射光柵部件30中的哪一點(diǎn)處具有522nm的波長(zhǎng)λ的準(zhǔn)直光束在進(jìn)入眼睛50中心之前被衍射和反射、并且還顯示準(zhǔn)直光束在到達(dá)眼睛50之前經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的全反射的次數(shù)的圖。在在圖5A和5B中，通過(guò)(q，s)來(lái)表示每個(gè)區(qū)段RG(q，s)，以簡(jiǎn)化描繪。
在圖5A中，向上傾斜的實(shí)曲線[1]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為4的情況，向上傾斜的實(shí)曲線[2]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為5的情況，向上傾斜的實(shí)曲線[3]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為6的情況，并且，向上傾斜的虛曲線[4]對(duì)應(yīng)于全反射的次數(shù)N為7的情況。圖上顯示的曲線從左向右增大這一事實(shí)具有與在第一實(shí)施例中所述相同的含義。
對(duì)應(yīng)于3.9°到7.2°的范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈38到47mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵部件30的第一衍射光柵層30A，并且，在第一衍射光柵層30A的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的四次全反射，然后，進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。在這種情況下，第一衍射光柵層30A(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第一衍射光柵層30A的區(qū)域的距離逐漸增大。
另一方面，對(duì)應(yīng)于-0.3°到3.9°范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈38到47mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵部件30的第二衍射光柵層30B，并且，在第二衍射光柵層30B的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的五次全反射，然后進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。在這種情況下，第二衍射光柵層30B(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第二衍射光柵層30B的區(qū)域的距離逐漸增大。
另外，對(duì)應(yīng)于-4.3°到-1.5°范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈38到41mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵部件30的第三衍射光柵層30C，并且，在第三衍射光柵層30C的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的六次全反射，然后進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。類似地，在這種情況下，第三衍射光柵層30C(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第三衍射光柵層30C的區(qū)域的距離逐漸增大。
另外，對(duì)應(yīng)于-8.0°到-5.6°范圍內(nèi)的張角θ(＝入射角[-θ])的準(zhǔn)直光束在L≈38到40mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)入第一衍射光柵部件30的第四衍射光柵層30D，并且，在第四衍射光柵層30D的這一區(qū)域內(nèi)被衍射和反射。該準(zhǔn)直光束經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的七次全反射，然后，進(jìn)入第二衍射光柵部件40，其中光束被衍射和反射。隨后，光束從導(dǎo)光板21被釋放，并且被導(dǎo)向眼睛50。類似地，在這種情況下，第四衍射光柵層30D(其衍射和反射相同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束)的干涉條紋的傾斜角度隨張角θ沿正方向的改變而增大，并且，從原點(diǎn)O到被提供有這些傾斜角度的第四衍射光柵層30D的區(qū)域的距離逐漸增大。
存在在一個(gè)衍射光柵層上入射的準(zhǔn)直光束可能進(jìn)入其余三個(gè)衍射光柵層中的至少一個(gè)的情況。然而，因?yàn)槠溆嗳齻€(gè)衍射光柵層中對(duì)這樣的準(zhǔn)直光束的衍射效率不高，所以，這樣的準(zhǔn)直光束很少被其余三個(gè)衍射光柵層衍射和反射。
第一衍射光柵層30A中的L≈35mm的區(qū)域(其為對(duì)應(yīng)于張角θ1＝-θ1_0＝-3.9°的準(zhǔn)直光束被衍射和反射的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋。在第一衍射光柵層30A的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝47mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)的距離的增大而增大。另外，第一衍射光柵層30A的區(qū)域(對(duì)應(yīng)于L＝47mm的區(qū)域)(其中對(duì)應(yīng)于要給定張角θ1＝-θ1_0的準(zhǔn)直光束被衍射和反射)含有具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋。
另一方面，在第二衍射光柵層30B中的L≈35mm區(qū)域(其為衍射和反射對(duì)應(yīng)于張角θ2＝-θ2_0＝-0.3°的準(zhǔn)直光束的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋。在第二衍射光柵層30B的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝47mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)的距離的增大而增大。另外，第二衍射光柵層30B(對(duì)應(yīng)于L＝47mm的區(qū)域)(其中對(duì)應(yīng)于要給定張角θ2＝-θ2_0的準(zhǔn)直光束被衍射和反射)含有具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋。
另外，在第三衍射光柵層30C中的L≈35mm區(qū)域(其為衍射和反射對(duì)應(yīng)于張角θ3＝-θ3_0＝-4.3°的準(zhǔn)直光束的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋。在第三衍射光柵層30C的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝41mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)的距離的增大而增大。另外，第三衍射光柵層30C(對(duì)應(yīng)于L＝41mm的區(qū)域)(其中對(duì)應(yīng)于要給定張角θ3＝-θ3_0的準(zhǔn)直光束被衍射和反射)含有具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋。
另外，在第四衍射光柵層30D中的L≈35mm區(qū)域(其為衍射和反射對(duì)應(yīng)于張角θ4＝-θ4_0＝-8.0°的準(zhǔn)直光束的位置)含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋。在第四衍射光柵層30D的外部區(qū)域RGOUT(即，至L＝40mm的區(qū)域)(其位置比含有具有最小傾斜角度MIN的干涉條紋的最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件40)中，干涉條紋的傾斜角度隨與最小傾斜角度區(qū)域RGMIN(對(duì)應(yīng)于L≈35mm)的距離的增大而增大。另外，第四衍射光柵層30D(對(duì)應(yīng)于L＝40mm的區(qū)域)(其中對(duì)應(yīng)于要給定張角θ4＝-θ4_0的準(zhǔn)直光束被衍射和反射)含有具有最大傾斜角度MAX的干涉條紋。
在這種情況下，因?yàn)槊總€(gè)衍射光柵層不具有從最小傾斜角度區(qū)域RGMIN向更靠近第二衍射光柵部件40而延伸的區(qū)域，所以，不用考慮第一實(shí)施例中所述的條件(b)。
外部區(qū)域RGOUT中的傾斜角度可以隨距離L的增大而連續(xù)且單調(diào)地增大?？商鎿Q地，如圖5B中的第一衍射光柵部件30的示意剖面圖所示，外部區(qū)域RGOUT中的傾斜角度可以隨距離L的增大而以步進(jìn)且單調(diào)的方式增大。換言之，可以將第一衍射光柵部件30在導(dǎo)光板21的軸向方向上分為S個(gè)區(qū)段(S＝6)。在這種情況下，衍射光柵層30A、30B、30C、30D中的每個(gè)的第s(s＝1、2、...、6)區(qū)段中的傾斜角度可以是固定的，并且，當(dāng)s值不同時(shí)，可以不同地設(shè)置衍射光柵層30A、30B、30C、30D中的每個(gè)的區(qū)段中的傾斜角度。另外，第一衍射光柵層30A、第二衍射光柵層30B、第三衍射光柵層30C、以及第四衍射光柵層30D的疊放次序?qū)嶋H上是靈活的。
以下的表12顯示出每個(gè)區(qū)段RG(q，s)的距離L1_s的范圍、張角θ1_s(＝入射角度[-θ]1_s)、以及傾斜角度1_s之間的關(guān)系。
全反射4次

全反射5次

全反射6次

全反射7次

在第四實(shí)施例中，對(duì)第一衍射光柵部件30給定具有比第三實(shí)施例中還要多的層數(shù)的多層結(jié)構(gòu)。由此，可以在導(dǎo)光板21的軸向方向上進(jìn)一步減小第一衍射光柵部件30的長(zhǎng)度、同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的張角。另外，可以減小導(dǎo)光板21的厚度，由此，有利于光學(xué)器件20以及圖像顯示設(shè)備10的進(jìn)一步的尺寸減小。
參照?qǐng)D5A，在對(duì)應(yīng)于張角范圍A的第一衍射光柵部件30的區(qū)域中，不存在傾斜角度可以所希望的布拉格條件衍射光束的干涉條紋。即使在這種情況下，如圖6所示，如果對(duì)應(yīng)于靠近每一個(gè)張角范圍A的張角的第一衍射光柵部件的區(qū)域中的干涉條紋具有對(duì)于衍射和反射對(duì)應(yīng)于張角范圍A的準(zhǔn)直光束來(lái)說(shuō)的足夠的衍射效率，則尤其沒(méi)有問(wèn)題。換言之，如果衍射效率的角度特性的半值h大到足以能夠衍射和反射具有對(duì)應(yīng)于張角范圍A的入射角度的準(zhǔn)直光束的程度，則尤其沒(méi)有問(wèn)題。
圖7A為顯示在第一衍射光柵部件30中的哪一點(diǎn)處具有522nm的波長(zhǎng)λ的準(zhǔn)直光束在進(jìn)入眼睛50中心之前被衍射和反射、并且還顯示準(zhǔn)直光束在到達(dá)眼睛50之前經(jīng)歷離開導(dǎo)光板21的第二表面21B的全反射的次數(shù)的圖。如該圖所示，第一衍射光柵部件30可以具有對(duì)應(yīng)于張角范圍B的兩個(gè)區(qū)域。這進(jìn)一步確保了第一衍射光柵部件30對(duì)準(zhǔn)直光束的衍射和反射。圖7B為第一衍射光柵部件30的示意剖面圖。在圖7A與7B中，每個(gè)區(qū)域RG(q，s)由(q，s)指示，以簡(jiǎn)化描繪。以下的表13顯示每個(gè)區(qū)段RG(q，s)的距離L1_s的范圍、張角θ1_s(＝入射角度[-θ]1_s)、以及傾斜角度1_s之間的關(guān)系。在這種情況下，在第一衍射光柵部件30中包括的Q個(gè)衍射光柵層中，將所述衍射光柵層中的至少一層中的最小傾斜角度設(shè)置為另一衍射光柵層中的最小傾斜角度與最大傾斜角度之間的值。或者，將所述衍射光柵層中的至少一層中的最大傾斜角度設(shè)置為另一衍射光柵層中的最小傾斜角度與最大傾斜角度之間的值。
全反射4次

全反射5次

全反射6次


全反射7次

第五實(shí)施例現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備。根據(jù)第五實(shí)施例的光學(xué)器件與圖像顯示設(shè)備具有與圖1所示基本相同的結(jié)構(gòu)。
圖8A為包含于根據(jù)第五實(shí)施例的光學(xué)器件中的第一衍射光柵部件130的示意剖面圖。
與第一實(shí)施例類似，根據(jù)第五實(shí)施例的光學(xué)器件包括導(dǎo)光板21、第一衍射光柵部件130、以及第二衍射光柵部件40。具體地，包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組進(jìn)入導(dǎo)光板21，在其中經(jīng)歷全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板21，并且，從導(dǎo)光板21出射。第一衍射光柵部件130包括反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板21上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板21內(nèi)經(jīng)歷全反射。第二衍射光柵部件40包括反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在其中經(jīng)歷全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板21的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板21發(fā)射準(zhǔn)直光束組。
圖8B為顯示其中第一衍射光柵部件130包含假想衍射光柵層230A、230B(其由Q層反射體積全息衍射光柵限定(在第五實(shí)施例中Q＝2))的假想例子的示意剖面圖。在這種情況下，假想衍射光柵層230A、230B中的每個(gè)在其表面上具有以等間距排列的干涉條紋。另外，假想衍射光柵層230A中的干涉條紋的間距與假想衍射光柵層230B中的干涉條紋的間距相同。這兩個(gè)假想衍射光柵層230A、230B等效于圖4B所示的第三實(shí)施例中的衍射光柵層30A、30B，并且，另外，假想衍射光柵層230A、230B的特性也等效于圖4B所示的衍射光柵層30A、30B的特性。因此，關(guān)于假想衍射光柵層230A、230B，請(qǐng)參見(jiàn)以上第三實(shí)施例中的描述。
另外，當(dāng)在每個(gè)假想衍射光柵層230A、230B中的每個(gè)干涉條紋與假想衍射光柵層230A、230B中的每個(gè)的一個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層230A、230B可以具有以下情形(a)每個(gè)假想衍射光柵層具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且，外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)每個(gè)假想衍射光柵層具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且，內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小。
如果將第一衍射光柵部件130從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R段(在第五實(shí)施例中R＝6)，則第一衍射光柵部件130的第r(r＝1，2，...，R)段RG1_R具有包含Q個(gè)假想衍射光柵層的對(duì)應(yīng)段VG(r，q)的多層結(jié)構(gòu)，其中，當(dāng)將每個(gè)假想衍射光柵層從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R段時(shí)，獲得段VG(r，q)(在這種情況下，q為從1到Q的范圍中選擇的非冗余任意整數(shù))。
詳細(xì)地，參照?qǐng)D8A，在第一衍射光柵部件130的第一衍射光柵層130A和第二衍射光柵層130B中包括的段按以下的表14所示的順序從更靠近第二衍射光柵部件的一側(cè)起排列。在表14中，在上部寫入的衍射光柵層的各段的位置更靠近第二衍射光柵部件40。


段VG(1，1)、段VG(2，1)、段VG(3，1)、段VG(4，1)、段VG(5，1)、以及段VG(6，1)的特性可以與第三實(shí)施例中的第一衍射光柵層30A的區(qū)段RG(q，s)[RG(1，1)，RG(1，2)，RG(1，3)，RG(1，4)，RG(1，5)，RG(1，6)]的特性相同。另外，段VG(1，2)、段VG(2，2)、段VG(3，2)、段VG(4，2)、段VG(5，2)、以及段VG(6，2)的特性可以與第三實(shí)施例中的第二衍射光柵層30B的區(qū)段RG(q，s)[RG(2，1)，RG(2，2)，RG(2，3)，RG(2，4)，RG(2，5)，RG(2，6)]的特性相同。
圖9示意性地顯示出在具有圖8A所示多層結(jié)構(gòu)的第一衍射光柵部件130上入射的準(zhǔn)直光束的情形。未顯示導(dǎo)光板21，以便簡(jiǎn)化描繪。從成像器件11的對(duì)應(yīng)像素位置發(fā)射的光束組由準(zhǔn)直器光學(xué)單元12準(zhǔn)直，并且被轉(zhuǎn)換為沿不同方向行進(jìn)的準(zhǔn)直光束的光束組。隨后，準(zhǔn)直光束穿過(guò)未顯示的導(dǎo)光板21，以進(jìn)入圖8A所示的第一衍射光柵部件130。在這種情況下，在段VG(1，2)上入射的準(zhǔn)直光束r1不經(jīng)歷離開段VG(1，2)的衍射和反射，而是進(jìn)入段VG(1，1)，其中準(zhǔn)直光束r1被衍射和反射。
換言之，因?yàn)闇?zhǔn)直光束r1具有沿最正方向的入射角度(即，最負(fù)方向上的張角-θ0)，所以，根據(jù)預(yù)定的布拉格條件，準(zhǔn)直光束r1由段VG(1，1)衍射和反射，并且在其中反復(fù)經(jīng)歷全反射的同時(shí)穿過(guò)導(dǎo)光板21。另一方面，準(zhǔn)直光束r1很少由段VG(1，2)衍射和反射。具體地，如圖10所示，這是由于以下事實(shí)而造成的，該事實(shí)即每個(gè)段VG(r，q)中的衍射效率的角度特性沒(méi)有大到足以覆蓋疊放在相同位置上的其它段VG(r，q′)中的衍射效率的角度特性。
另外，因?yàn)榀B放的衍射光柵層130A、130B具有極小的厚度，例如20μm，所以，衍射光柵層具有與第三實(shí)施例中所述的基本相同的特性，并且，防止了準(zhǔn)直光束r1和準(zhǔn)直光束r7的全反射位置的錯(cuò)位?？梢灶嵉沟谝谎苌涔鈻艑?30A和第二衍射光柵層130B的疊放次序。
將第二衍射光柵部件40的中心定義為原點(diǎn)O。將延伸通過(guò)原點(diǎn)O的第二衍射光柵部件40的法線定義為X軸。將延伸通過(guò)原點(diǎn)O的導(dǎo)光板21的軸線定義為Y軸。在假設(shè)由第q假想衍射光柵層(其中q為從1到Q中選擇的整數(shù))、隨后由第二衍射光柵部件40衍射和反射的、并且位于X-Y平面內(nèi)的假設(shè)的準(zhǔn)直光束中，由X軸上的用于觀察對(duì)應(yīng)于由第二衍射光柵部件40衍射和反射、并且從導(dǎo)光板21釋放的準(zhǔn)直光束組的圖像的觀察點(diǎn)(眼睛50)和位置最靠近第一衍射光柵部件130的假設(shè)的準(zhǔn)直光束之一形成的角度被定義為θq＝θq_0(＞0)。由觀察點(diǎn)(眼睛50)和位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件130的假設(shè)的準(zhǔn)直光束之一形成的角度被定義為θq＝-θq_0(＜0)。在這些條件下，衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝θq_0的假設(shè)準(zhǔn)直光束的假設(shè)的準(zhǔn)直光束的第q假想衍射光柵層的區(qū)域具有最大傾斜角度，并且，衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝-θq_0的假設(shè)準(zhǔn)直光束的假設(shè)的準(zhǔn)直光束的第q假想衍射光柵層的區(qū)域具有最小傾斜角度。
本發(fā)明不限于上述優(yōu)選實(shí)施例。例如，在第一到第四實(shí)施例中，第一衍射光柵部件30可以配備P種干涉條紋，從而設(shè)置對(duì)要形成準(zhǔn)直光束、并具有不同波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))的P種光束的衍射和反射的基本相同的角度。類似地，在第五實(shí)施例中，每個(gè)假想衍射干涉層可以配備P種干涉條紋，從而設(shè)置對(duì)要形成準(zhǔn)直光束、并且具有不同波長(zhǎng)范圍(或者波長(zhǎng))的P種光束的衍射和反射的基本相同的角度。
在第五實(shí)施例中，包含在第一衍射光柵部件中的衍射光柵層的區(qū)段(區(qū)域)以及假想衍射光柵層的段以一一對(duì)應(yīng)的方式相互對(duì)應(yīng)。作為對(duì)此類一一對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的替換方案，圖8C與8D為分別顯示出第一衍射光柵部件的修改例子、以及假想衍射光柵層多層結(jié)構(gòu)的修改例子的示意性剖面圖。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解在所附權(quán)利要求及其等價(jià)物的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及其他因素，可以出現(xiàn)各種修改、組合、子組合與替換。
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2005年9月29日向日本專利局提交的日本專利申請(qǐng)JP2005-285397的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用融入本文。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包含導(dǎo)光板，其接收包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，該準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板，同時(shí)在其中經(jīng)歷全反射，然后從導(dǎo)光板出射；第一衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板內(nèi)經(jīng)歷全反射；以及第二衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射透射導(dǎo)光板的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板發(fā)射該準(zhǔn)直光束組，其中第一衍射光柵部件被提供有從第一衍射光柵部件內(nèi)向其表面延伸的干涉條紋，第一衍射光柵部件表面上的干涉條紋以等間距排列，其中當(dāng)在第一衍射光柵部件中的每個(gè)干涉條紋與第一衍射光柵部件的每個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，第一衍射光柵部件具有以下情形，(a)第一衍射光柵部件具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)第一衍射光柵部件具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中第一衍射光柵部件中的干涉條紋包含P種干涉條紋，從而設(shè)置對(duì)具有不同波長(zhǎng)范圍、且限定準(zhǔn)直光束的P種光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P為整數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中當(dāng)將第二衍射光柵部件的中心定義為原點(diǎn)時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的第二衍射光柵部件的法線定義為X軸時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的導(dǎo)光板的軸線定義為Y軸時(shí)，當(dāng)將由用于觀察對(duì)應(yīng)于由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且從導(dǎo)光板釋放的準(zhǔn)直光束組的圖像的X軸上的觀察點(diǎn)與位置最靠近第一衍射光柵部件的準(zhǔn)直光束之一形成的角度定義為張角θ＝θ0時(shí)，以及當(dāng)將觀察點(diǎn)與位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的另一準(zhǔn)直光束形成的角度定義為張角θ＝-θ0時(shí)，其中準(zhǔn)直光束由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)，在提供具有最大傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第一衍射光柵部件衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θ＝θ0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束，并且，在提供具有最小傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第一衍射光柵部件衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θ＝-θ0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中第一衍射光柵部件包含由Q層反射體積全息衍射光柵限定的衍射光柵層，其中Q為整數(shù)，其中在第一衍射光柵部件的每個(gè)衍射光柵層中提供干涉條紋，并且該干涉條紋從每個(gè)衍射光柵層內(nèi)向其表面延伸，并且其中每個(gè)衍射光柵層上的干涉條紋等間距排列，并且以相同間距排列各衍射光柵層中的干涉條紋。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件，其中第一衍射光柵部件中的衍射光柵層具有彼此不同的最小傾斜角度與不同的最大傾斜角度。
6.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件，其中將第一衍射光柵部件的衍射光柵層中的至少一層中的最小傾斜角度設(shè)置為另一衍射光柵層中的最小傾斜角度與最大傾斜角度之間的值，或者，將衍射光柵層的所述至少一層中的最大傾斜角度設(shè)置為所述另一衍射光柵層中的最小傾斜角度與最大傾斜角度之間的值。
7.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件，其中當(dāng)將第二衍射光柵部件的中心定義為原點(diǎn)時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的第二衍射光柵部件的法線定義為X軸時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的導(dǎo)光板的軸線定義為Y軸時(shí)，當(dāng)將由用于觀察對(duì)應(yīng)于由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且從導(dǎo)光板釋放的準(zhǔn)直光束組的圖像的X軸上的觀察點(diǎn)與位置最靠近第一衍射光柵部件的準(zhǔn)直光束之一形成的角度定義為張角θq＝θq_0時(shí)，以及當(dāng)將觀察點(diǎn)與位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的另一準(zhǔn)直光束形成的角度定義為張角θq＝-θq_0時(shí)，其中準(zhǔn)直光束由第q衍射光柵層、隨后由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)，其中q為從中1到Q中選擇的整數(shù)，在提供具有最大傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝θq_0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束，并且在提供具有最小傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝-θq_0的準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板內(nèi)經(jīng)歷全反射的次數(shù)根據(jù)準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板上的入射角度而變化。
9.一種光學(xué)器件，包含導(dǎo)光板，其接收包含沿不同方向行進(jìn)的多個(gè)準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直光束組，該準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板，同時(shí)在其中經(jīng)歷全反射，然后從導(dǎo)光板出射；第一衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射；以及第二衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射透射通過(guò)導(dǎo)光板的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板發(fā)射該準(zhǔn)直光束組，其中當(dāng)?shù)谝谎苌涔鈻挪考僭O(shè)包含由Q層反射體積全息衍射光柵形成的假想衍射光柵層時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層在其表面上具有以等間距排列的干涉條紋，各假想衍射光柵層中的干涉條紋以相同間距排列，其中Q為整數(shù)，其中當(dāng)將在每個(gè)假想衍射光柵層中的每個(gè)干涉條紋與假想衍射光柵層的每個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層具有以下情形，(a)每個(gè)假想衍射光柵層具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)每個(gè)假想衍射光柵層具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小，其中如果將第一衍射光柵部件從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R個(gè)段，其中R為整數(shù)，則第一衍射光柵部件的第r段RG1-r具有包含Q個(gè)假想衍射光柵層的對(duì)應(yīng)段VG(r，q)的多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)將每個(gè)假想衍射光柵層從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R個(gè)段時(shí)，獲得段VG(r，q)，其中q為從1到Q的范圍中選擇的非冗余任意整數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中每個(gè)假想衍射光柵層中的干涉條紋包含P種干涉條紋，以便設(shè)置對(duì)具有不同波長(zhǎng)范圍、且限定準(zhǔn)直光束的P種光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P為整數(shù)。
11.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中當(dāng)將第二衍射光柵部件的中心定義為原點(diǎn)時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的第二衍射光柵部件的法線定義為X軸時(shí)，當(dāng)將延伸通過(guò)原點(diǎn)的導(dǎo)光板的軸線定義為Y軸時(shí)，當(dāng)將由用于觀察對(duì)應(yīng)于由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且從導(dǎo)光板釋放的準(zhǔn)直光束組的圖像的X軸上的觀察點(diǎn)與位置最靠近第一衍射光柵部件的假設(shè)的準(zhǔn)直光束之一形成的角度定義為張角θq＝θq_0時(shí)，以及當(dāng)將觀察點(diǎn)與位置最遠(yuǎn)離第一衍射光柵部件的另一假設(shè)的準(zhǔn)直光束形成的角度定義為張角θq＝-θq_0時(shí)，其中假設(shè)的準(zhǔn)直光束假定由第q衍射光柵層、隨后由第二衍射光柵部件衍射和反射、并且位于X-Y平面內(nèi)，其中q為從中1到Q中選擇的整數(shù)，在提供具有最大傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝θq_0的假設(shè)的準(zhǔn)直光束的假設(shè)的準(zhǔn)直光束，并且在提供具有最小傾斜角度的干涉條紋的位置上，由第q衍射光柵層衍射和反射對(duì)應(yīng)于要給定張角θq＝-θq_0的假設(shè)的準(zhǔn)直光束的假設(shè)的準(zhǔn)直光束。
12.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板內(nèi)經(jīng)歷全反射的次數(shù)根據(jù)準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板上的入射角度而變化。
13.一種圖像顯示設(shè)備，包含成像器件；準(zhǔn)直器光學(xué)單元，其被配置來(lái)準(zhǔn)直從成像器件發(fā)射的光束；以及光學(xué)器件，其接收由準(zhǔn)直器光學(xué)單元沿不同方向準(zhǔn)直并且定向的準(zhǔn)直光束，然后引導(dǎo)并發(fā)射準(zhǔn)直光束，其中，該光學(xué)器件包括導(dǎo)光板，其接收由沿不同方向定向的準(zhǔn)直光束限定的準(zhǔn)直光束組，該準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板，同時(shí)在其中經(jīng)歷全反射，然后從導(dǎo)光板出射；第一衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射；以及第二衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射透射通過(guò)導(dǎo)光板的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板發(fā)射該準(zhǔn)直光束組，其中第一衍射光柵部件被提供有從第一衍射光柵部件內(nèi)向其表面延伸的干涉條紋，第一衍射光柵部件表面上的干涉條紋以等間距排列，其中當(dāng)在第一衍射光柵部件中每個(gè)干涉條紋與第一衍射光柵部件的每個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，第一衍射光柵部件具有以下情形，(a)第一衍射光柵部件具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)第一衍射光柵部件具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小。
14.一種圖像顯示設(shè)備，包含成像器件；準(zhǔn)直器光學(xué)單元，其被配置來(lái)準(zhǔn)直從成像器件發(fā)射的光束；以及光學(xué)器件，其接收由準(zhǔn)直器光學(xué)單元沿不同方向準(zhǔn)直并且定向的準(zhǔn)直光束，然后引導(dǎo)并且發(fā)射準(zhǔn)直光束，其中該光學(xué)器件包括導(dǎo)光板，其接收由沿不同方向定向的準(zhǔn)直光束形成的準(zhǔn)直光束組，該準(zhǔn)直光束組穿過(guò)導(dǎo)光板，同時(shí)在其中經(jīng)歷全反射，然后從導(dǎo)光板出射；第一衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射在導(dǎo)光板上入射的準(zhǔn)直光束組，從而允許準(zhǔn)直光束組在導(dǎo)光板中經(jīng)歷全反射；以及第二衍射光柵部件，其包含反射體積全息衍射光柵，該反射體積全息衍射光柵衍射和反射透射通過(guò)導(dǎo)光板的準(zhǔn)直光束組，并且直接從導(dǎo)光板發(fā)射該準(zhǔn)直光束組，其中當(dāng)?shù)谝谎苌涔鈻挪考僭O(shè)包含由Q層反射體積全息衍射光柵形成的假想衍射光柵層時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層在其表面上具有以等間距排列的干涉條紋，假想衍射光柵層中的干涉條紋以相同間距排列，其中Q為整數(shù)，其中當(dāng)將在每個(gè)假想衍射光柵層中的每個(gè)干涉條紋與假想衍射光柵層的每個(gè)表面之間形成的角度被定義為傾斜角度時(shí)，每個(gè)假想衍射光柵層具有以下情形，(a)每個(gè)假想衍射光柵層具有最小傾斜角度區(qū)域，其含有具有最小傾斜角度的干涉條紋；以及外部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件，并且外部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大，以及(b)每個(gè)假想衍射光柵層具有內(nèi)部區(qū)域，其位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二衍射光柵部件，并且內(nèi)部區(qū)域中的干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小，其中，如果將第一衍射光柵部件從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R個(gè)段，其中R為整數(shù)，則第一衍射光柵部件的第r段RG1-r具有包含Q個(gè)假想衍射光柵層的對(duì)應(yīng)段VG(r，q)的多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)將每個(gè)假想衍射光柵層從其最靠近第二衍射光柵部件的區(qū)段到最遠(yuǎn)離第二衍射光柵部件的區(qū)段分為R個(gè)段時(shí)，獲得段VG(r，q)，其中q為從1到Q的范圍中選擇的非冗余任意整數(shù)。
全文摘要
一種光學(xué)器件，包含導(dǎo)光板、以及第一與第二反射體積全息衍射光柵部件。第一部件具有從其內(nèi)部向其表面延伸、并且以等間距排列的干涉條紋。每個(gè)干涉條紋與第一部件的每個(gè)表面形成在其間形成傾斜角度。第一部件具有以下情形。(a)在位置比具有最小傾斜角度的最小傾斜角度區(qū)域更遠(yuǎn)離第二部件的外部區(qū)域中，干涉條紋的傾斜角度隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而增大。(b)在位置比最小傾斜角度區(qū)域更靠近第二部件的內(nèi)部區(qū)域中，干涉條紋的傾斜角度包括鄰近最小傾斜角度區(qū)域放置的內(nèi)部區(qū)域中的最大傾斜角度，并且隨著與最小傾斜角度區(qū)域的距離的增大而減小。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1940610SQ200610141490
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者阿久津克之, 武川洋 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社