[发明专利]光学装置以及虚像显示装置

说明书

本申请是申请日为2005年3月28日、申请号为200580000315.5、名称为“光学装置以及虚像显示装置”的申请的分案申请。

技术领域

本发明大致涉及一种虚像显示装置，用于显示通过一虚像光学系统放大的供观看对象观看的二维图像，更具体地，涉及一种采用全息光学元件(特别为一反射体全息光栅)引导图像光显示到观看对象的光瞳的细长的光学装置，以及采用该光学装置的虚像显示装置。

本申请要求于2004年3月29日申请的日本专利申请第2004-097222号的优先权，其公开内容在此全部引用作为参考。

背景技术

为观看对象观看放大的虚像，提出如图1所示的虚像观看光学系统。

在图1所示的虚像观看光学系统中，显示在图像显示装置301上的图像光首先入射到其中设置透射全息透镜303的光波导302上。入射图像光被透射全息透镜303形成平行光，且入射图像光在光波导302内以全反射的角度偏转。

光波导302内还设置一透射全息光栅304，所述透射全息光栅304与透射全息透镜303排成行并与其间隔一预定距离。在图像光通过光波导302且全反射后，图像光入射到透射全息光栅304上并且由透射全息光栅304再次衍射而成平行光投射到光波导302外部并投向观看对象的光瞳。

为观看对象观看放大的虚像，还提出如图2所示的虚像观看光学系统。

在图2所示的虚像观看光学系统中，引导显示在图像显示元件401上的图像光通过具有不规则表面(free-form surface)的棱镜402入射到光波导403上。如图3所示，光波导403包括在光波导403的入射侧上的入射区域Z1内设置的第一HOE(全息光学元件)404和第二HOE 405，以及在出射侧上的出射区域Z2内设置的第三HOE 407和第四HOE 406。入射到光波导403上的图像光在光波导403的光入射侧、与光入射侧相对的表面上设置的第一HOE 404以及在光入射侧设置的第二HOE 405上被连续地衍射和反射，并在光波导403内部被偏转成以大于全反射临界角的角度前行。具体地，入射到光波导403上的图像光L1在第一HOE 404的第一入射侧衍射反射面D1上衍射并反射，然后在第二HOE 405的第二入射侧衍射反射面D2上衍射并反射，由此而以大于临界角的角度α2前行。注意图像光L1在第一衍射反射面D1上衍射并反射时，它将以小于临界角的角度α1前行。

光波导403内以大于临界角的角度前行的图像光L2在光波导403内部传播且全反射，然后连续地在第四HOE 406的第一出射侧衍射反射面D3上衍射并反射，然后在第三HOE 407的第二出射侧衍射反射面D4上衍射和反射，由此而以小于临界角的角度α3前行并向光波导403外部观看对象的光瞳出射。

但是，图1所示的虚像观看光学系统具有以下缺点：

首先，在图1所示的虚像观看光学系统中，从图像显示装置301投射的发散光直接入射到光波导302内的透射全息透镜303上。由于透射全息透镜303仅具有相对较小的衍射接收角，因此当图像显示装置301与透射全息透镜303之间的距离增加时，即，当透射全息透镜303的焦距增加以便使得光学系统增加放大率时，光瞳305的直径不能增加。

第二，由于透射全息透镜303的干涉带是具有球形相成分(sphericalphase component)的复杂结构，所以难以将干涉带组合或叠层在一起以便获得较大的衍射接收角，并且透镜303无法设计成以不同的效率(efficiency)、相同的衍射角衍射波长和入射角相等的光束。

第三，在图1所示的虚像观看光学系统中，由于在光波导302上设置的    透射全息透镜303衍射来自图像显示装置301的图像光束且形成平行光束，即，产生光功率时，会造成大的单色偏心像差(monochromatic eccentricaberration)，这会导致投射到光瞳上的图像分辨率下降。

第四，图1所示的虚像观看光学系统使用透射全息光栅304校正透射全息透镜303内出现的消色像差(achromatic aberration)。由于入射到透射全息光栅304的光束只在图1的绘图平面内的方向上偏转，则无法消除在至少垂直于绘图平面的方向上出现的像差。因为光波导302内设置的两个透射全息元件(透射全息透镜303和透射全息光栅304)彼此不同，并且大体只能使用窄频带的光源，所以会出现衍射导致的色差，这对常规的虚像观看光学系统是很大限制。