CN1672082A - 图像合成器和图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

使用中把一个由光学材料构造并对应于眼用透镜的板式部分5定位在用户的眼睛前面，设置在图像合成器1的出射光瞳P附近。合成器1使得来自图像显示元件2的光叠加到透过板式部分5的光上，从而从板式部分5的前面穿过板式部分5的厚度，并且将此光束导入眼睛。来自图像显示元件2的光在被板式部分5内部的反射式HOE6衍射和反射之后到达用户的眼睛。从图像显示元件2的显示部分中心发出的主光线被反射式HOE6衍射和反射时衍射效率表现出最大值的波长和从显示部分的周围部分的特定方向发出的主光线被反射式HOE6衍射和反射时衍射效率表现出最大值的波长基本上不同。结果，可以改善在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器的出射光瞳中心的情况下获得的显示图像的图像质量。

Description

图像合成器和图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种能够使得用户根据来自前方如外界的光线和叠加在第一图像上的显示图像的光来观看图像的图像合成器，以及利用该图像合成器的图像显示装置，如头戴式显示装置。
背景技术
在过去如日本专利申请公开JP2000-352689和日本专利申请公开JP2001-264682中揭示的图像显示装置已知的是所谓的透明式头置图像显示装置(头戴式显示器)，允许用户在观察外界状态的同时观看叠置在外界视景上的显示图像。另外，日本专利申请公开JP2001-264682不仅揭示了透明式头置图像显示装置，而且还揭示了一种不用作透明式装置的图像显示装置(即只有来自图像显示元件的光导入用户的眼睛，来自外界等的其它光线不叠加到该来自图像显示元件的光线上)，同时基本上具有与这种透明式装置相同的结构；还揭示了一个将该图像显示装置包含在便携式电话的悬挂部分的例子。
在这些图像显示装置中，通过利用反射式全息光学元件实现尺寸和重量的减小。这种反射式全息光学元件就波长选择性而言很优越，并且可以选择性地只衍射和反射极有限的波长区域中的光线。因此在构成透明式图像显示装置中的情况下，从外界透射入的光线等由于反射式全息光学元件而损失的光量可以显著地减少。
另外，在这些图像显示装置中，形成图像合成器的出射光瞳使得该光瞳在使用状态下基本上与用户眼睛的瞳孔重合，并且制造的反射式全息光学元件，即使得用于在制造该元件期间曝光反射式全息光学元件的两个光源中的一个光源(参考光源)的位置基本上与图像合成器的出射光瞳的位置重合的反射式全息光学元件用作反射式全息光学元件(参见日本专利申请公开JP2000-352689中的第25段和日本专利申请公开JP2001-264682的第37段)。在这些专利申请中描述了下列效果：即通过利用这样制造的反射式全息光学元件，即制造中参考光源的位置设置在用户瞳孔的位置中，制造中的曝光光束与使用中的观察光束基本上重合，以至于使用中反射式全息光学元件的衍射效率可以提高到最大程度(日本专利申请公开2000-352689中的第25段和日本专利申请公开JP2001-264682的第37段)。
另外，在这些图像显示装置中，一般用液晶显示元件作为图像显示元件，以便实现尺寸和重量的减小，袖珍且价廉的光源LED用作对该图像显示元件照明的光源。
但是，在这些传统的图像显示装置中，虽然可以在用户眼睛的瞳孔中心与图像合成器的出射光瞳重合的情况下观看良好的显示图像，但随着用户眼睛的瞳孔中心离开该出射光瞳的中心向图像合成器出射光瞳的周围移动，显示屏逐渐变暗，以至于图像就图像质量而言并不总是足够好。另外，在实际使用中，会频繁地发生用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器出射光瞳的中心。
发明内容
考虑到这种情况而设计了本发明。本发明的目的在于提供一种可以在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器的出射光瞳中心的情况下提高显示图像的图像质量的图像显示装置，同时，利用反射式全息光学元件和可以用在这种图像显示装置中的图像合成器等实现尺寸和重量的减小。另外，在下面的描述中，还有把全息光学元件称作“HOE”的例子。
已知反射式HOE、尤其是反射体型HOE的衍射特性具有灵敏的波长选择性和较宽的角特性。具体地说，可以在特定的方向上以最大效率获得关于以一满足布拉格条件的角度和波长入射的再现光的衍射光；但是，也有这样的特点，即当关于入射波长存在与布拉格条件的背离时，衍射效率骤降，另一方面，还有这样的特点，即在入射角背离布拉格角入射的情况下衍射效率逐渐降低。
作为这些特点的结果，这种反射式HOE已公知为一种适于用在图像合成器中的元件，能够宽视角而不损失外界光亮度地进行图像显示。
但是，也有这样的争执，即在单一波长光照明的情况下由衍射效率值唯一地限定；在利用有带宽的照明光进行照明的情况下还没有就衍射光的波长特性进行研究。
本发明人研究了在入射角偏离布拉格入射角的情况下反射式HOE的衍射特性，并且发现当入射角变化时以最大效率衍射的波长改变了。另外，类似地，本发明人还发现当从不同的方向观察来自HOE的衍射光时，表现出最高值衍射效率处的波长改变。这一点下面将进行描述。
反射式HOE的衍射在符合布拉格条件式的方向上表现出最大的衍射强度。反射式HOE的布拉格条件式由下面所示的式(1)和式(2)表示。在同时满足下面式(1)和式(2)的方向上衍射的光的强度表现出最大值。
1/λR(sinθO-sinθR)＝1/λC(sinθI-sinθC)    …(1)
1/λR(cosθO-cosθR)＝1/λC(cosθI-cosθC)    …(2)
此处，式(1)和式(2)的左侧表示反射式HOE制造过程中的状态，λR表示曝光波长，θO表示曝光期间物体光相对于全息平面法线的入射角，θR表示曝光期间参考光的入射角。另外，式(1)和式(2)的右侧表示反射式HOE使用期间的状态，λC表示衍射的主导波长，θC表示从全息平面的中心测量时视线相对于全息平面法线的角度，θ1表示全息平面上照明光(对应于视线)的入射角。
图25中展示了简化的模型。另外，在图25(b)中，PC表示用户眼睛的瞳孔中心的位置。当进行光线跟踪时，从位置PC跟踪光线；因此，图25(b)中光线的取向表示为与光线跟踪的情形一致；但是，光线的实际取向是相反的取向。
此处如果由HOE制造期间的条件和根据式(1)和式(2)的视线的角度θC决定具有衍射强度的波长λC和照明光的入射角θI，则获得下面式(3)和式(4)所示的值。
λC＝-[(sinθO-sinθR)sinθC+(cosθO-cosθR)cosθC]
     ×2/[(sinθO-sinθR)2+(cosθO-cosθR)2]×λR    …(3)
θI＝arcsin{λC/λR×(sinθO-sinθR)+sinθC}         …(4)
此处，在与布拉格条件有偏差的情况下衍射光的强度不为零，而是根据该偏差量而下降。该强度下降的方式按照相体积型全息材料的厚度和折射率的变化量而变化；该强度随着厚度的增大而急剧下降，或是随着折射率的变化量增大而急剧下降。换言之，波长选择性变得更灵敏，以至于由式(2)表示的衍射作用变大。
因此实际上式(3)中的波长λC是衍射强度表现出最大值的波长，在该波长附近有带宽的波带中的光也被衍射为衍射光。因此，式(3)中满足布拉格条件式的λC被称作主导衍射波长。
此处，主导衍射波长λC的特性和对应于视线的照明光的入射角θ1通过在下列条件下改变视线的θC角来研究：曝光波长λR＝476nm，参考光的入射角θR＝30°，物体光的入射角θO＝150°，反射式HOE在空气中。从反射式HOE法线的正方向逆时针转动测量各个角度。所得的结果示于下列表1。从表1中可以看出，当视线的角度θC改变±5°时，主导衍射波长λC移动大约±9nm。
(表1)
  视线角度θC(deg) 主导衍射波长λC(nm)   照明光的入射角θI(deg)
    25     484.5     155
    30     476.0     150
    35     466.4     145
此处，当式(3)重写为主导衍射波长λC与曝光波长λR之比λC/λR(相对主导衍射波长)时，得到下列的式(5)：
λC/λR＝-[(sinθO-sinθR)sinθC+(cosθO-cosθR)cosθC]
       ×2/[(sinθO-sinθR)2+(cosθO-cosθR)2]       …(5)
图26表示式(5)中所示相对主导衍射波长λC/λR值的变化曲线，是在曝光期间视线的角度θC相对于参考光入射角θR之差(θC-θR)随作为参数的曝光角度而变化的情况下获得的。从图26中可以看出，相对主导衍射波长λC/λR的值也随着角度差值(θC-θR)背离0而背离1。因此看到，随着曝光期间视线的角度θC和参考光的入射角θR之差(θC-θR)的增大，波长移动增加。另外，为了描述方便，该现象称作“波长移动现象”。
在上述传统的图像显示装置中，采用反射式全息光学元件，其通过使制造期间用于曝光的参考光源的位置与图像合成器出射光瞳的位置重合而制成。具体地说，曝光期间参考光的位置限定为播放***光瞳的位置。因此，虽然曝光期间参考光的入射角与视线的角度之差在播放期间对主光线的所有视角基本上为零，但在视线角度θC和穿过偏离图像合成器出射光瞳中心的位置的光线(边缘光)的参考光入射角θR之间产生差值。因此，作为上述波长移动现象的结果，在播放期间的边缘光中发生波长移动。
另外，在上述传统的图像显示装置中已经断定，显示屏随着用户眼睛的瞳孔中心从该出射光瞳的中心向图像合成器出射光瞳的周围移动而变暗的原因如下：即，因为波长移动朝着光瞳的周围增大，由入射照明光的带宽和衍射强度的波长特性的结合所得的强度随着接近光瞳周围而下降。而且已经断定，图像显得模糊的原因如下：即，因为衍射波长随着接近光瞳周围而改变，所以产生横向色差。
对于日本专利申请公开JP2000-352689和日本专利申请公开JP2001-264682中描述的几个实施例的图像显示装置，本发明人通过从观察者(用户)的瞳孔向图像显示元件(成像部件，如液晶显示元件)的光线跟踪，具体地确定了上述衍射波长的变化和最终的横向色差量。下面将描述获得的结果。
在日本专利申请公开JP2000-352689描述的实施例3的情形中，使用了反射式全息光学元件，制造该元件使得用于制造期间曝光的参考光源的位置与图像合成器的出射光瞳的位置重合。因此，对于主光线即从光瞳的中心指向像平面各点的光线满足布拉格条件。因此，与曝光波长相同波长(532nm)的光线被反射，并在整个视角范围上高衍射效率地衍射；但是，从光瞳坐标y＝1.5(y轴取作纸平面中向上的方向)入射的光线的衍射效率在527nm处表现为最大值。相反，从光瞳坐标y＝-1.5的位置入射的光线的衍射效率在537nm处表现出最大值。换言之，可以看到当接近光瞳周围时衍射波长移动±5nm。此处，光瞳坐标称作光瞳平面内的位置坐标；光瞳的中心取作原点，单位设为毫米。
此处，在532nm附近具有发射峰的绿色LED用作照明光源的情况下，如果发射特性设在(例如)半峰全宽接近20nm处，则527nm处的发射强度为0.5，537nm处的发射强度为0.5，532nm处的发射强度取作1。
因此，在光瞳坐标y＝±1.5的位置处，即使反射式HOE的衍射效率为90％或更大的高效率，与中心相比，照明光的强度为0.5，因为衍射波长移动±5nm；结果，观察到的图像变暗。
另外，如果计算横向色差，则相对于以532nm波长从光瞳中心以0°视角入射的光线的像平面上的y坐标y＝0.0，以527nm波长从光瞳坐标y＝1.5入射的光线的像平面上的高度为y＝-0.10，并且以537nm波长从光瞳坐标y＝-1.5入射的光线的像平面上的高度为y＝0.12，以至于产生0.1mm或更大的横向色差。
假设把1/4英寸(4.8×3.6mm)QVGA(320×240象素)的液晶显示装置放置在像平面即成像部件的表面上，则一个象素的大小为0.015mm2，并且上述放大率的色差具有对应于7～8个象素的较大值。
具体地说，作为由该波长移动造成的色差结果，当接近光瞳周围时图像显得模糊。
本发明人根据这种传统图像显示装置中所遇问题起因的解释所得的结果进行进一步的研究，并且研究反射式HOE的使用，其中反射式HOE制造成使得曝光期间参考光源的位置移向播放虚像的位置(该位置是与图像合成器的出射光瞳分开1m～无限远的距离)，而不是将反射式HOE制造成使得曝光期间参考光源的位置与播放***的光瞳位置设置成相同的位置。
当使用制造成使得曝光期间参考光源的位置移向播放虚像的位置的反射式HOE时，只要光线具有相同的视角，视线的角度θC和参考光线入射角θR之差(θC-θR)小于传统装置中的情形，甚至对于穿过图像合成器出射光瞳中任何位置的光线也是如此，无论这些光线是主光线还是边缘光线。因此，在视角中心光线的情形中，主光线和边缘光线对于所有的亮度值都是相同的，并且曝光波长基本上等于主导衍射波长。
因此，即使用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器出射光瞳的中心，也可以消除显示图像的变暗以及显示图像的外观模糊，以致于在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器出射光瞳中心的情形中，图像质量比上述传统图像显示装置的情形有很大的改进。因此，大大提高了用户使用装置的方便性。
在[i]光线从图象显示部件的显示部分中心发出并被反射式全息光学元件衍射之后穿过特定位置的情况下的衍射效率在上述各个波长区域中表现出最大值的波长表示为λ0，[ii]光线从图象显示部件的显示部分周边发出并被反射式全息光学元件衍射之后穿过上述同样特定位置的情况下的衍射效率在各个波长区域中表现出最大值的波长表示为λy，并且[iii]光从图象显示部件的显示部分的周边部分发出并被反射式全息光学元件衍射之后在与特定位置不同的位置传播、并且视线相对于反射式全息光学元件的方向与光从显示部分的中心发射并被反射式全息光学元件衍射之后穿过特定位置的光传播方向相同的情况下的衍射效率在各个波长区域中表现出最大值的波长表示为λz，本发明的设计使得即使用户眼睛的瞳孔位置会在出射光瞳的平面内变化，通过将λ0和λz设在基本上相同的波长，可以获得基本上相同的图像重量。因此，因为随后衍射的光线的发射角彼此不同，所以λy和λ0表现出不同值。
因此，在制造成使得曝光期间参考光源的位置移向从播放***的光瞳位置向播放虚像的位置移动的位置的反射式HOE的情形中，如果设置波长λ0和波长λy使得这些波长不同，则甚至在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器出射光瞳的中心的情形下图像质量也没有衰减。
此处，如果希望在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器出射光瞳的中心的情况下实现图像质量一定程度的改善，最好满足下列式(6)或(7)：
1.013＜λy/λo  …(6)
λy/λo＜0.98   …(7)
另外，如果视角造成的波长相对于照明光源发射谱宽度的移动量过大，则存在在位于屏幕内的部分中发生光量下降的危险。因此，为了防止这一点，希望考虑照明光源的发射谱宽和视角造成的波长移动，并且在发射谱宽变窄的情况下通过使参考光源从虚像附近接近光瞳附近来控制波长的移动量。具体而言，在图象显示部件发射的光仅具有单一波长区域成分或多个分散的波长区域成分的情况下，希望在单一波长区域的半峰全宽或多个波长区域之一的半峰全宽设置为FWHM时满足下列式(8)：
0.2＜|(λy-λo)/FWHM|  …(8)
另外，作为考虑到衍射波长区域的光谱半宽以波长λy为中心并且衍射波长区域光谱的光谱半宽以波长λ0为中心的结果，式(8)左侧的“0.2”是基于给定的考虑、使得各个波长区域的半宽的光谱也包含在光源光谱的半峰全宽内而获得。
以上是关于参考光源距离的研究。但是，本发明人还研究了参考光源的入射角度并获得下列结果。具体地说，通过适当设置参考光源的入射角，可以校正曝光光源和照明光源的波长偏差，使得亮度中心总是与屏幕中心重合。
还希望曝光光源的波长和照明光源的波长重合；但一般来说，因为将激光用作曝光光源而将LED用作照明光源，并且因为激光和LED的光产生装置不同，所以两个光源的波长并不总是重合。因此，在存在一些偏差的情况下，发现在视角端部处的光量减少可以通过调节参考光源的角度进行中心分布而平衡，使得视角中心处的主导衍射波长与照明光源的主导波长重合。
关于采用的方法，可以正确地使用参考光和播放入射光之间的角度差造成波长移动的特性，并且参考光源的入射角可以如上所述地移动，使得在视角中心处光线的主导衍射波长与照明光源主导波长重合，而不是与曝光波长重合，由此从曝光波长移动播放***视角中心处光线的主导衍射波长。反过来可以从上述式(3)和(4)中计算所述的量。具体地说，可以计算入射角之差，使得主导衍射波长与照明光源的主导波长重合。
具体而言，如果播放期间(制造期间用于对反射式全息光学元件曝光的两个光源中)位于观察者眼睛一侧上的光源到反射式全息光学元件中心上的入射角(在空气中算出的角度)表示为θ1，从图象显示部件的显示部分中心发出并导入图像合成器出射光瞳中心的光线在反射式全息光学元件处的反射角(空气中算出的角度)表示为θ2，如果满足下列式(9)，则在接近中心分布的状态下可以平衡视角端部处光的减少：
0.8°＜|θ1-θ2|  …(9)
如上所述，本发明可以提供一种图像显示装置，它能够在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器的出射光瞳中心的情况下实现显示图像的图像质量的改善，同时通过利用反射式全息光学元件实现尺寸和重量的减小，并且本发明还可以提供一种可以用在这种图像显示装置等中的图像合成器。
附图说明
图1是表示构成本发明第一工作结构的图像显示装置的结构简图，且(以示意图形式)表示该图像显示装置中的光线路径；
图2是表示限定全息光学元件的两个光源的坐标***简图；
图3是本发明第一工作结构的具体实例的横向像差简图，图3(a)表示(X，Y)＝(0°，+5°)的视角，图3(b)表示(X，Y)＝(0°，0°)的视角，图3(c)表示(X，Y)＝(0°，-5°)的视角，每个附图的左侧表示Y轴方向的横向像差，每个附图的右侧表示X轴方向的横向像差。另外，实线表示波长为499.59nm的光线，虚线表示波长为509.59nm的光线，点划线表示波长为519.2nm的光线；
图4是本发明第一工作结构的具体实例的另一横向像差简图。图4(a)表示(X，Y)＝(6.75°，+5°)的视角，图4(b)表示(X，Y)＝(6.75°，0°)的视角，图4(c)表示(X，Y)＝(6.75°，-5°)的视角。每个附图的左侧表示Y轴方向的横向像差，每个附图的右侧表示X轴方向的横向像差。另外，实线表示波长为499.59nm的光线，虚线表示波长为509.59nm的光线，点划线表示波长为519.2nm的光线；
图5是在本发明第一工作结构的具体实例中对于各个视角的衍射效率与波长之间的关系曲线；
图6是在本发明第一工作结构的具体实例中对于各个光瞳坐标衍射效率与波长之间关系的曲线；
图7是表示本发明第一工作结构的具体实例中像平面内亮度的简图；
图8是表示本发明第一工作结构的具体实例中光瞳平面内亮度的简图；
图9是表示构成本发明第二工作结构的图像显示装置的结构简图，且(以示意图形式)表示该图像显示装置中的光线路径；
图10是本发明第二工作结构的具体实例的横向像差简图，图10(a)表示(X，Y)＝(0°，+5°)的视角，图10(b)表示(X，Y)＝(0°，0°)的视角，图10(c)表示(X，Y)＝(0°，-5°)的视角，每个附图的左侧表示Y轴方向的横向像差，每个附图的右侧表示X轴方向的横向像差。另外，实线表示波长为453.38nm的光线，虚线表示波长为463.38nm的光线，点划线表示波长为443.38nm的光线；
图11是本发明第二工作结构的具体实例的另一横向像差简图。图11(a)表示(X，Y)＝(6.75°，+5°)的视角，图11(b)表示(X，Y)＝(6.75°，0°)的视角，图11(c)表示(X，Y)＝(6.75°，-5°)的视角。每个附图的左侧表示Y轴方向的横向像差，每个附图的右侧表示X轴方向的横向像差。另外，实线表示波长为453.38nm的光线，虚线表示波长为463.38nm的光线，点划线表示波长为443.38nm的光线；
图12是在本发明第二工作结构的具体实例中对于各个视角的衍射效率与波长之间的关系曲线；
图13是在本发明第二工作结构的具体实例中对于各个光瞳坐标衍射效率与波长之间关系的曲线；
图14是表示本发明第二工作结构的具体实例中像平面内亮度的简图；
图15是表示本发明第二工作结构的具体实例中光瞳平面内亮度的简图；
图16是表示构成本发明第三工作结构的图像显示装置的结构简图，且(以示意图形式)表示该图像显示装置中的光线路径；
图17是本发明第三工作结构的具体实例的横向像差简图，图17(a)表示(X，Y)＝(0°，+5°)的视角，图17(b)表示(X，Y)＝(0°，0°)的视角，图17(c)表示(X，Y)＝(0°，-5°)的视角，每个附图的左侧表示Y轴方向的横向像差，每个附图的右侧表示X轴方向的横向像差。另外，实线表示波长为641.16nm的光线，虚线表示波长为651.16nm的光线，点划线表示波长为631.16nm的光线；
图18是本发明第三工作结构的具体实例的另一横向像差简图。图18(a)表示(X，Y)＝(6.75°，+5°)的视角，图18(b)表示(X，Y)＝(6.75°，0°)的视角，图18(c)表示(X，Y)＝(6.75°，-5°)的视角。每个附图的左侧表示Y轴方向的横向像差，每个附图的右侧表示X轴方向的横向像差。另外，实线表示波长为641.16nm的光线，虚线表示波长为651.16nm的光线，点划线表示波长为631.16nm的光线；
图19是在本发明第三工作结构的具体实例中对于各个视角的衍射效率与波长之间的关系曲线；
图20是在本发明第三工作结构的具体实例中对于各个光瞳坐标衍射效率与波长之间关系的曲线；
图21是表示本发明第三工作结构的具体实例中像平面内亮度的简图；
图22是表示本发明第三工作结构的具体实例中光瞳平面内亮度的简图；
图23是表示构成本发明第四工作结构的图像显示装置对于各种颜色的像平面内亮度的简图；
图24是表示构成本发明第四工作结构的图像显示装置对于各种颜色的光瞳平面内亮度的简图；
图25是布拉格条件的释义图，图25(a)表示全息图曝光期间的状态，图25(b)表示利用全息图阶段的状态；
图26是表示主导衍射波长的变化(移动)与反射式全息光学元件上的入射角变化之间的关系简图；
图27是表示本发明第一至第四工作结构的图像显示装置中照明光源的波长特性简图。
具体实施方式
下面将参考附图描述构成本发明工作结构的图像合成器和图像显示装置。
[第一工作结构]
图1是构成本发明第一工作结构的图像显示装置的结构简图，且(以示意图形式)表示该图像显示装置中的光线(只是来自图像显示元件2的光线)路径。
此处，如图1所示地限定相互垂直的X轴、Y轴和Z轴。具体地说，图1中纸平面内的左右方向取作Z轴，Z坐标值增大的方向定义为“右”。图1中纸平面内的垂直方向取作Y轴，Y坐标值增大的方向定义为“上”。图1中垂直于纸平面的方向取作X轴，***为右手***，即图1中从纸平面向内的方向定义为X坐标值增大的方向。另外，也可以使Y轴方向与实际垂直方向重合，或者可以是其它某些合适的方向。这些定义与后面描述的图9和16相同。
构成本工作配置的图像显示装置包括图像合成器1和图像显示元件2。
在本工作结构中，透射式LCD用作图像显示元件2。用来自LED3和反射镜4如抛物面镜组成的光源的光源光从后面对图像显示元件2照明。对光源光进行空间光调制，并且透射指示显示图像的光。另外，无庸赘述，也可以利用其它一些元件如反射式LCD或使用电致发光光发射元件作为图像显示元件2。
在本工作结构中，用三色LED作为LED3。图27表示LED3的发射光谱。在图27中，曲线LR表示LED3红光发射部分的发射光谱，曲线LG表示LED3绿光发射部分的发射光谱，曲线LB表示LED3蓝光发射部分的发射光谱。从图27看出，LED3发射的光在R(红光)波长区域、G(绿光)波长区域和B(蓝光)波长区域分别具有峰值波长，并且在各个峰值波长延伸之前和之后的各个波长区域内具有各自的强度。在该LED3的R波长区域中峰值波长的光谱强度的半峰全宽FWHMr为23nm，G波长区域中峰值波长的半峰全宽FWHMg为60.8nm，B波长区域中峰值波长的半峰全宽FWHMb为29nm。这些方面在后面描述的各个工作结构中也相同。
另外，在本工作结构中，该装置构造成使得反射式HOE 6选择性地衍射和只反射G波带成分；因此，图27中只发射G波长区域成分的G单色LED也可以用作LED 3。
图像合成器1包括以平行平面板形式构造的板式部分5，其中平行平面板为从光学材料如玻璃或塑料中去除了上部。当然，板式部分5也可以具有(例如)用于校正用户视觉敏锐度的光功率。在该情况下，例如Z轴方向板式部分5两个表面5a和5b中的至少一个表面构造成曲面。这些方面在后面描述的各个工作结构中也相同。另外，在本工作结构中，板式部分5的上部在图中向右侧凸出，该上部的上表面5c形成为变形的非球面。而且板式部分5在图1中还向下延伸；但图中将此省去。
板式部分5通过支撑件如框架(图中未示出)以与眼镜片相同的方式安置在用户头上，并且位于用户眼睛(图中未示出)的前方。图1中，P表示从图像合成器1的图像显示元件2发出的光的出射光瞳，P0表示出射光瞳P的中心。图像合成器1安置在用户身上使得该出射光瞳P基本上与用户眼睛的瞳孔重合。在图1中，Z轴方向与板式部分5的厚度方向相同。板式部分5的眼睛侧表面5a和反侧表面5b平行于XY平面。另外，虽然图中未示出，但LED3、反射镜4和图像显示元件2也由上述支撑件支撑。结果，图像显示元件2设置在处于图中纸平面内板式部分5上方和右侧的位置，以至于不妨碍用户对外界的观察，并且使得图像显示元件在用户安装图像显示装置时不产生任何障碍。
当然，也可以在其他某些合适的位置设置图像显示元件2，并且通过中继光学***将显示图像导入图像显示元件2的位置；另外，也可以利用扫描光学***在该位置形成图像。这些方面在后面描述的各个工作结构中也相同。
而且，在图1中，点A1和A2分别表示图中纸平面内图像显示元件2显示部分的两个端部的位置。另外，点A0表示该显示部分的中心。
图像合成器1构造成使得从图像显示元件2发出的光叠加到透射过板式部分5的光(以下称作“外界光”)上，从而从板式部分5的正面穿过板式部分5的厚度(即，从而从表面5b入射并从表面5a发出)，并再导入用户眼睛。
在本工作结构中，反射式全息光学元件(反射式HOE)6设置在板式部分5之内面对用户眼睛的位置附近。在本工作结构中，反射式HOE6以特定的角度相对于图1中所示的表面5a和5b倾斜。
例如，反射式HOE6可以通过粘结到与板式部分5相同材质的小片上、再把该小片放置在形成板式部分5的模具框架中而制作，并且可以通过将熔融态的板式部分5的材料灌注到模具框架中并再将该材料固化而将反射式HOE6安装在板式部分5的内侧。
在本工作结构中，反射式HOE6只选择性地反射包含在图27中所示G波带中(来自图像显示元件2的光中)的成分的光。另一方面，反射式HOE6几乎不偏转地透射外界光(图中未示出)中所有波长区域的光。另外，希望把具有高波长选择性的HOE用作反射式HOE6，使得与外界光的干涉最小化。
如图1所示，反射式HOE 6具有选择性地向观察者的瞳孔只反射包含在图27中所示G波带中(来自图像显示元件2中的光中)的成分的光的特性，并且还具有一定的光功率，使得该HOE具有特殊的图像聚焦作用。反射式HOE6可以具有平坦的表面，或者可以具有曲面。在把具有曲面的HOE用作反射式HOE 6的情况下，如果曲面的曲率中心设置在用户的眼睛一侧，则视角较大时由反射式HOE6产生的根据视角的像差涨落量减小，这正是希望的。
例如，光聚合物、光致抗蚀剂、光致变色材料、光致二向色材料、银盐乳胶、明胶重铬酸酯(gelatin bichromate)、明胶重铬酸酯(gelatindichromate)、塑料、铁电材料、磁光材料、电光材料、非晶态半导体、光折射材料等可以用作用来构造反射式HOE6的全息光敏材料。另外，反射式HOE6可以通过利用光学***用来自两个光源的光同时照射这些材料而制备，其中光学***用于这种根据公知的方法制造HOE6。
穿过图像显示元件2的显示部分上任意点的光从板式部分5上部的上表面5c进入板式部分5的内部，并再以大于临界角的入射角入射到板式部分5的表面5a的区域R1上，使得该光被区域R1全反射。然后，该光以大于临界角的入射角入射到板式部分5的表面5b的区域R2，使得该光被区域R2全反射。另外，该光再以大于临界角的入射角入射到板式部分5的表面5a的区域R3，使得该光被区域R3全反射。然后，该光入射到反射式HOE 6上。在该情况下，该光经受反射式HOE 6的具有波长选择性(在本工作结构中为G光的选择性)的反射和衍射效应和图像聚焦效应。随后，该光从板式部分5的表面5a的区域R4发射到板式部分5的外部。在该情况下，离开图像显示元件2相同位置的光入射到用户眼睛的瞳孔上，瞳孔处于出射光瞳P上，使得在离开出射光瞳P特定距离(在本工作结构的情况下为1m；在后面描述的其它工作结构中该距离也相同，也可以设置为例如在无限远处)处形成放大的虚像。
根据LED3的发射光谱特性和反射式HOE 6的波长选择性，在从图像显示元件2发出并被反射式HOE 6衍射和反射之后到达用户眼睛的光只具有G光成分。此处，把从图像显示元件2上的任意点发出并到达出射光瞳P中心P0的光线(从图像显示元件2发出并被反射式HOE衍射和反射之后到达用户眼睛的G光中(即图27中G波长区域的光))称作关于G波长区域的主光线。
在本工作结构中，如果把相对于从图像显示元件2的显示部分中心发出的G波长区域的主光线被反射式HOE 6衍射和反射时衍射效率表现出最大值处的波长表示为λog，并且如果当相对于从图1中Y方向上图像显示元件2的显示部分的周边部分发出的G波长区域的主光线被反射式HOE 6衍射和反射时衍射效率表现出最大值处的波长表示为λyg，则满足下列的式(10)或(11)。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器的出射光瞳中心的情况下，图像质量可以提高：
1.013＜λyg/λog   …(10)
λyg/λog＜0.98    …(11)
另外，在本工作结构中，下面所示的式(12)也得到满足。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，由视角造成的相对于LED 3发射光谱的G波长区域的宽度的波长移动量得到抑制，使得在显示屏部分中将会发生的光量下降的危险被消除。
0.2＜|(λyg-λog)/FWHMg|  …(12)
另外，在本工作配置中，如果(制造期间用于曝光反射式HOE 6的两个光源(对应于G波长区域)中)播放期间从位于观察者眼睛一侧上的光源向反射式HOE 6中心的入射角(在空气中计算的角度)设定为θ1g，并且如果从图像显示元件2显示部分中心发射并指向出射光瞳P的中心P0的光线的反射式全息光学元件处的反射角(在空气中计算的角度)表示为θ2，则下面给出的式(13)得到满足。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，视角端部处光线的减少可以在接近中心分布的状态下得到平衡。
0.8°＜|θ1g-θ2|  …(13)
此处，将参考图1对第一工作结构的具体实例进行描述。在该具体实例的设计中，把本领域内公知的U.S.firm of Optical ResearchAssociates制造的Code V(商品名称)用作设计方案。在该情况下，从图像显示元件2显示部分的中心A0发出并穿过出射光瞳P的中心P0的光线的光路定义为整个光学装置的光轴。在该具体实例中，光轴不是单一的直线，而是具有连接互相倾斜的线段的形状。这些方面在后面描述的各种工作结构的具体实例中也一样。
下面描述该具体实例的各种光学量。
出射光瞳P的直径为3mm。图中纸平面内向上方向的视场角为5°。图中纸平面内向下方向的视场角为-5°。纸页深度方向上的视场角为±6.75°。图中纸平面内屏幕的大小(即，点A1和点A2之间的长度)为3.6mm。纸页深度方向上屏幕的大小为4.8mm。板式部分5的厚度d为3.5mm。使用的波长处于大约480nm～540nm的波长范围内。板式部分5相对于587.56nm波长(d线)的折射率nd为1.596229，阿贝数νd为40.4。
关于HOE 6的定义，全息图通过限定两束用于曝光的光束而明确地定义。两束光由各个光源的位置以及从各个光源发出的光束的会聚(VIR)或发散(REA)限定。第一个点光源(HV1)的坐标表示为(HX1，HY1，HZ1)，第二光点光源的坐标表示为(HX2，HY2，HZ2)。在这些坐标的情况下，如图2所示，HOE平面与光轴之间的交点取作原点，Z轴取在光轴的方向上，HOE平面内纸平面的向上方向取作Y轴，纸页的深度方向取作X轴，使得这些坐标与有关图1中所定义的坐标不同。
另外，把厚度为20μm、折射率为1.493、折射率调幅为0.03的乳胶用作记录全息图的乳胶。曝光波长为532nm，假设乳胶的收缩率为3.3％。因为收缩造成的播放光束波长的涨落处于正比例关系，所以波长也被缩短3.3％使得播放期间的中心波长为512nm。HOE6的平面为中心位于图1中沿Z轴右侧离表面5a有1.7mm的平面，其取向为从与Y轴相同方向在纸平面上顺时针旋转30°。HOE 6具有相位函数分量，以使图像聚焦性能最佳。
为了在此描述相位函数，相位函数是定义除由HOE 6的两个纯点光源限定之外的非球面相位转换量的函数；在光学设计方案Code V中，这可以利用X和Y轴分量等的多项式系数表示。
另外，用于在此具体实例中光线跟踪的各种量列于下表2。光学平面的顺序(平面号的顺序)是从用户眼睛的瞳孔平面(＝图像合成器1的出射光瞳P的平面)到图像显示元件2。另外，在表2中，图1中对应于各个平面号的参考标号表示为括号内的“标记”。这一点在后面描述的其他表中也是一样。
(表2)
平面号(标记)            曲率半径                  介质nd               νd
1(P)                    无限远2(5a：R4)               无限远                    1.596229             40.43(6)                    无限远                    1.596229             40.4反射平面全息平面：两个光束的定义HV1：VIR                       HV2：VIRHX1：0.000000×10+00          HY1：0.214385×10+08         HZ1：0.155769×10+08HX2：0.000000×10+00          HY2：0.181933×10+06         HZ2：-.516363×10+06相位系数C2：   4.7919×10-01          C3：  -1.5313×10-02         C5：  -8.5586×10-03C7：   4.4199×10-04          C9：   3.8390×10-04         C10：  5.6408×10-06C12：  1.2235×10-04          C14：  4.7278×10-05         C16： -1.3514×10-05C18：  3.5083×10-05          C20：  9.7776×10-06         C21：  3.5859×10-07C23： -3.8342×10-06          C25： -7.3404×10-07         C27： -3.3707×10-06C29：  7.5311×10-07          C31： -3.7364×10-06         C33： -2.6324×10-06C35： -1.0178×10-06          C36：  6.7531×10-08         C38：  4.8718×10-07C40：  3.5228×10-07          C42：  3.1571×10-08         C44：  3.5833×10-07C46： -2.8708×10-09          C48：  1.8285×10-07         C50：  2.1392×10 07C52：  8.7363×10-08          C54：  4.4404×10-08         C55：  5.1216×10-10C57： -5.0692×10-09          C59： -2.8768×10-08         C61： -1.8789×10-08C63：  6.2577×10-09          C65： -1.4146×10-084(5a：R3)               无限远                    1.596229             40.4反射平面5(5b：R2)               无限远                    1.596229             40.4反射平面
6(5a：R1)            无限远                  1.596229          40.4反射平面7(5c)                -40.57208变形的非球面KY：0.000000         KX：0.000000在X轴方向的曲率半径：-20.63634AR：0.979301×10-05       BR：-.785589×10-06       CR：-.561534×10-08DR：0.690209×1038AP：-.245366×10+01       BP：-.272167×10+00       CP：-.123202×10+01DP：0.211276×10+068(2)                 无限远
表2中采用的相位函数的定义把光程差表示为被采用的波长归一化的值，其中入射到将HOE表示为XY坐标平面上的位置的点上的光线经历该光程差；如果假设m和n为整数，则可以通过指定下面所示的一般式(14)表示的多项式系数来确定，这些系数一直可以设到65；依次为C1，C2，C3，…，C65，并当系数的顺序号用整数j表示时，建立对应项，使得如下所示式(15)表达的关系在表示X坐标和Y坐标的顺序号的整数m和n之间也成立。具体地说，在本实例中，相位函数由下面所示的式(16)的多项式限定。相位函数的这种定义在后面描述的表中也相同。
Σ m = 0 10 Σ m = 0 10 Cmn X m Y n , whereCmn = 0 · · · ( 14 )
j = ( m + n ) 2 + m + 3 n 2 . . . ( 15 )
C1X+C2Y+C3X2+c4XY+…+C65Y10…(16)
关于此处采用的变形的非球面5c的定义，可以通过表示曲面5c上的点(x，y)的Z轴坐标值来定义，在该点，曲面5c的光轴取作Z坐标轴(即下垂量)，如下式(17)所示：
CUX x 2 + CUY y 2 1 + 1 - ( 1 + KX ) CU X 2 x 2 - ( 1 + KY ) CU Y 2 y 2 + AR { ( 1 + AP ) x 2 + ( 1 + AP ) y 2 } 2 + BR ( 1 - BP ) x 2 + ( 1 + BP ) y 2 } 3 + CR { ( 1 - CP ) x 2 + ( 1 + CP ) y 2 } 4 + DR { ( 1 - DP ) x 2 + ( 1 + DP ) y 2 } 5 . . . ( 17 )
在式(17)中，CUX表示在X轴方向的曲率半径，CUY表示在Y轴方向的曲率半径，KX是X轴方向的锥面常数，KY是Y轴方向的锥面常数，AR是关于Z轴对称旋转的第四阶非球面系数，BR是关于Z轴对称旋转的第六阶非球面系数，CR是关于Z轴对称旋转的第八阶非球面系数，DR是关于Z轴对称旋转的第十阶非球面系数，AP是非对称旋转的第四阶非球面系数，BP是非对称旋转的第六阶非球面系数，CP是非对称旋转的第八阶非球面系数，DP是非对称旋转的第十阶非球面系数。
另外，关于本具体实例中各个光学平面的位置关系，在下列表3中示出了以第一平面(平面号1＝图1中的标记P)的中心P0取作原点(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各个光学平面的中心的绝对位置，以及这些平面绕X轴的旋转量(以逆时针方向作为正方向测量得到的值)。
(表3)
平面号(标记)     X坐标值     Y坐标值     Z坐标值    绕X轴的旋转角[°]
1(P)2(5a：R4)3(6)4(5a：R3)5(5b：R2)6(5a：R1)7(5c)8(2)     0.000000.000000.000000.000000.000000.000000.000000.00000     0.000000.000000.000000.000000.000000.0000022.8000029.16123     0.0000013.0000014.7000013.0000016.5000013.0000013.1052224.93254     0.00000.0000-30.00000.00000.00000.000093.169345.4349
关于本具体实例中HOE 6的第一光源的位置，从下面看出：HX1：0，HY1：0.214385×10+0.8，HZ1：0.155769×10+0.8
这是图2中yz坐标的第一象限，离开原点的距离为2.65×107mm，并且从Z轴负方向测得的角度为54°。但是，因为HV1为VIR，所以是会聚光，实际上从反方向入射。另外，因为HOE 6的两个光源在空气中定义，所以对折射率校正距离和角度，并且比较播放期间HOE 6处于介质中的情形。
在此实例的情况下，因为距离实际上是无限远，所以不必转换。因为此光源的距离为接近在播放虚像和出射光瞳之间虚像的距离，所以主导衍射波长在出射光瞳内的各个位置处恒定。作为代替，主导衍射波长根据视角移动。
同时，关于视角，第一光源关于HOE法线的入射角在空气中为54°。此处，因为播放期间光轴上的光以30°的入射角经折射率约为1.6的介质入射，所以该角度在空气中算出为53.1°。因此，曝光光束在HOE6上的入射角θ1g以及播放光在HOE 6上的入射角θ2移动0.9°。结果，0°视角处的主导衍射波长从只考虑收缩时的播放中心波长512nm略微移动，使得该波长接近光源绿色发射光谱的516nm的峰值波长。
当对本具体实例计算衍射效率时，以视角-5°、0°和+5°(Y方向的视角；X方向的视角为0°)穿过-1.5mm、0mm和+1.5mm的各个光瞳坐标Py的光线的衍射效率的主导波长示于下列表4。此处，光瞳坐标Py为图1纸平面中出射光瞳P内的Y轴方向的位置坐标；Py＝0mm的位置表示出射光瞳P的中心P0。另外，在光线穿过Py＝0mm的光瞳坐标的情况下，所有视角处的光线都是主光线。
(表4)
    视角光瞳坐标Py     -5°     0°     +5°
    -1.5mm     529.2nm     516.04nm     499.56nm
    0mm     529.2nm     516.04nm     499.56nm
    +1.5mm     529.2nm     516.04nm     499.56nm
另外，用于表示本具体实例的光学***图像聚焦性能的横向像差曲线示于图3和4。在图3和4中，关于主导衍射波长±10nm的光线的横向像差对于每种视角的曲线同时示于一个附图中。从图3和4中可以看出，在视角之内的整个区域中几乎没有色差，以至于图像聚焦性能很优越。
另外，本具体实例的HOE 6的衍射效率的波长特性(对于绿光的特性)示于图5和6。图5表示主光线(Py＝0mm)在各个视角-5°、0°和+5°(Y方向的视角；X方向的视角为0°)处的衍射效率的波长特性。图6表示以视角(X，Y)＝(0°，0°)穿过各个光瞳坐标-1.5mm、0mm和+1.5mm的光线衍射效率的波长特性。在图6中，各个光瞳坐标的波长特性重合并重叠。在图5中示出了主导衍射波长如何根据视角移动，而图6示出了主导衍射波长如何不根据光瞳坐标移动。
在图5和6中，还叠加了(图27中所示LED 3的各种波长区域中)对应的G波长区域的发射光谱。实际上，到达观察者眼睛的光量(即，亮度)是这两类曲线之积(即G波长区域的衍射效率和发射光谱之积)。图7中示出了屏幕内的亮度分布，光瞳平面内的亮度分布示于图8中。图7中的各个标出点对应于图5中各个视角处的衍射效率峰值与对应峰值波长处LED 3发出的光强度之积。图8中的各个标出点对应于图6中各个光瞳坐标处衍射效率的峰值与对应峰值波长处LED 3发出的光强度之积。另外，图7和8中的竖轴表示以最大亮度取为1而归一化的亮度。
在本具体实例中，视角-5°和+5°处主导衍射波长λyg与视角中心处的主导衍射波长λog的相应比率λyg/λog为1.026和0.968，并且这样小于0.98，大于1.013，以至于上述的式(10)和式(11)的条件得以满足。结果如图8所示，光瞳平面内的强度是平坦的。
另外，视角中心和周围的主导衍射波长之差|λyg-λog|分别为13.16和16.48，并且用于本具体实例中的光源的半峰全宽FWHMg为60.8nm；因此，当计算式(12)右侧的值时，获得视角-5°和+5°处的各个值0.22和0.27，使得式(12)的条件得以满足。结果，在光瞳平面内和屏幕内都获得平衡的亮度，如图7和8所示。
另外，参考光源的角度θ1g和光线跟踪光轴的入射角θ2之差为0.9°，使得式(13)的条件得以满足。
[第二工作结构]
图9是表示构成本发明第二工作结构的图像显示装置的结构简图，且表示该图像显示装置中的光线(仅来自图像显示元件2的光线)路径。在图9中，与图1中相同的元件或对应于图1中的元件采用相同的标号标注并省去赘述。另外，图9中省去了构成光源的LED 3和反射镜4。
本工作结构与上述第一工作结构的根本区别在于下列方面：即，在上述第一工作结构中，装置构造成使得反射式HOE 6选择性地只衍射和反射G波带成分，而在本工作结构中，装置构造成使得反射式HOE6选择性地只衍射和反射B波带成分。
另外，在本工作结构中，因为装置构造成使得反射式HOE 6选择性地只衍射和反射B波带成分，所以图27中只发射B波长区域成分的B单色LED可以用作LED 3。
此处，(在从图像显示元件2中发出并被反射式HOE 6衍射和反射之后到达用户眼中的B光(即图27中B波长区域的光)中)从图像显示元件2上的任意点发出并到达出射光瞳P中心P0的光线称作关于B波长区域的主光线。
在本工作结构中，如果把相对于从图像显示元件2的显示部分中心发出的B波长区域的主光线被反射式HOE 6衍射和反射时衍射效率表现出最大值处的波长表示为λob，并且如果把相对于从图9所示Y方向上图像显示元件2的显示部分的周边部分发出的B波长区域的主光线被反射式HOE 6衍射和反射时衍射效率表现出最大值处的波长表示为λyb，则满足下列的式(18)或式(19)。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器的出射光瞳中心的情况下，图像质量可以提高：
1.013＜λyb/λob  …(18)
λyb/λob＜0.98   …(19)
另外，在本工作结构中，下面的式(20)也得到满足。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，由视角造成的相对于LED3发射光谱的B波长区域宽度的波长移动量得到抑制，使得在显示屏部分中将会发生的光量下降的危险被消除。
0.2＜|(λyb-λob)/FWHMb|  …(20)
另外，在本工作结构中，如果(制造期间用于曝光反射式HOE 6的两个光源(对应于B波长区域)中)播放期间从位于观察者眼睛一侧上的光源向反射式HOE 6中心的入射角(在空气中计算得到的角度)设定为θ1b，并且如果从图像显示元件2显示部分中心发射并指向出射光瞳P的中心P0的光线的反射式全息光学元件处的反射角(在空气中计算得到的角度)表示为θ2，则下面给出的式(21)得到满足。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，视角端部处光线的减少可以在接近中心分布的状态下得到平衡。
0.8°＜|θ1b-θ2|  …(21)
此处将参考图9描述本工作结构的具体实例。该具体实例的各种光学量描述如下。
在本具体实例中，HOE 6的曝光波长设置在476nm。出射光瞳P的直径为3mm。图中纸平面内向上方向的视场角为5°。图中纸平面内向下方向的视场角为-5°。纸页深度方向上的视场角为±6.75°。图中纸平面内屏幕的大小(即点A1和点A2之间的长度)为3.6mm。纸页深度方向上屏幕的大小为4.8mm。板式部分5的厚度d为3.5mm。板式部分5采用与上述第一工作结构的具体实例中相同的材料。
另外，用于在该具体实例中光线跟踪的各种量列于下表5。光学平面的顺序(平面号的顺序)是从用户眼睛的瞳孔平面(＝图像合成器1的出射光瞳P的平面)到图像显示元件2。
(表5)
平面号(标记)          曲率半径                  介质nd                νd
1(P)                   无限远2(5a：R4)              无限远                   1.596229              40.43(6)                   无限远                   1.596229              40.4反射平面全息平面：两个光束的定义HV1：REA                      HV2：VIRHX1：0.000000×10+00         HY1：-.243820×10+02         HZ1：-.165512×10+02HX2：0.000000×10+00         HY2：-.605332×10+02         HZ2：-.289129×10+02相位系数C2：   1.7337×10+00         C3：   9.2796×10-03         C5：  -1.5977×10-03C7：  -7.1335×10-05         C9：   2.8492×10-04         C10： -9.2646×10-06
  C12：   1.2395×10-04       C14：   5.5187×10-05       C16：  -2.4261×10-05C18：   1.0132×10-05       C20：  -1.2885×10-06       C21：   1.7830×10-06C23：   2.2457×10-06       C25：   5.7068×10-07       C27：  -4.5205×10-06C29：   1.7885×10-06       C31：   2.7316×10-07       C33：   3.8019×10-07C35：  -3.3623×10-08       C36：   1.7243×10-08       C38：  -3.1054×10-07C40：  -4.3523×10-07       C42：  -1.3783×10-08       C44：   4.5950×10-07C46：  -2.8238×10-08       C48：  -1.5580×10-08       C50：  -1.0661×10-08C52：  -2.8648×10-08       C54：   1.1788×10-08       C55：  -2.6416×10-10C57：   2.5009×10-08       C59：   2.8852×10-08       C61：   1.2417×10-08C63：   6.2577×10-09       C65：  -1.4146×10-084(5a：R3)          无限远                  1.596229                  40.4反射平面5(5b：R2)          无限远                  1.596229                  40.4反射平面6(5a：R1)          无限远                  1.596229                  40.4反射平面7(5c)              -40.57208变形的非球面KY：0.000000       KX：0.000000在X轴方向的曲率半径：-20.63634AR：0.979301×10-05         BR：-.785589×10-06         CR：-.561534×10-08DR：0.690209×10-38AP：-.245366×10+01         BP：-.272167×10+00         CR：-.123202×10+01DP：0.211276×10+068(2)               无限远
另外，关于本具体实例的各个光学平面的位置关系，在下列表6中示出了以第一平面(平面号1＝图9中的标记P)的中心取作原点(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各个光学平面的中心的绝对位置，这些平面绕X轴的旋转量(以逆时针方向为正方向测得的值)。
(表6)
平面号(标记)     X坐标值     Y坐标值     Z坐标值   绕X轴的旋转角[°]
1(P)2(5a：R4)3(6)4(5a：R3)5(5b：R2)6(5a：R1)7(5c)8(2)     0.000000.000000.000000.000000.000000.000000.000000.00000     0.000000.000000.000000.000000.000000.0000022.8000029.16123     0.0000013.0000014.7000013.0000016.5000013.0000013.1052224.93254     0.00000.0000-30.00000.00000.00000.000093.169345.4349
关于该具体实例中HOE 6的第一光源的位置，从下面看出：HX1：0，HY1：-.243820×10+02，HZ1：-.165512×10+02
这是图2中yz坐标的第三象限，离开原点的距离为26.469mm，以及从Z轴负方向测得的角度为55.8°。另外，因为HV1为REA，所以是发散光。因为HOE 6的两个光源定义在空气中，与第一工作结构一样，所以对折射率校正距离和角度，并且比较播放期间HOE 6处于介质中的情形。
HOE 6的平面位于距离光瞳平面14.7mm处；这个距离中的1.7mm处于折射率约为1.6的介质中。因此，就空气而言算出的长度为1.06mm，从而就空气而言算出的HOE 6到光瞳平面的距离为14.06mm。因此，在该实例中光源的距离近似为虚像到光瞳之间光瞳距离的两倍。
同时，关于角度，在空气中第一光源关于HOE 6法线的入射角为55.8°。此处，因为播放期间光轴上的光以30°的入射角经折射率约为1.6的介质入射，所以此角度在空气中算出为53.1°。因此，曝光光束在HOE 6上的入射角θ1b以及播放光在HOE 6上的入射角θ2偏移2.7°。结果，由于乳胶的收缩(假设为3.3％)，0°视角处的主导衍射波长从曝光波长476nm移到460.3nm；但是，作为第一光源角偏差的结果，该波长进一步轻微地移动，使得该波长接近光源蓝色发射光谱的463nm的峰值波长。
当对本具体实例计算衍射效率时，分别以视角-5°、0°和+5°(Y方向的视角；X方向的视角为0°)穿过-1.5mm、0mm和+1.5mm的各个光瞳坐标Py的光线的衍射效率的主导波长示于下列表7。此处，光瞳坐标Py为图9所示纸平面中出射光瞳P内的Y轴方向的位置坐标；Py＝0mm的位置表示出射光瞳P的中心P0。另外，在光线穿过Py＝0mm的光瞳坐标的情况下，所有视角的光线都是主光线。
(表7)
     视角光瞳坐标Py   -5°   0°   +5°
    -1.5mm   486.38nm   469.88nm   453.38nm
    0mm   479.78nm   466.58nm   450.08nm
    +1.5mm   476.48nm   459.98nm   443.48nm
另外，用于表示本具体实例的光学***图像聚焦性能的横向像差曲线示于图10和11。在图10和11中，关于主导衍射波长±10nm的光线的横向像差关于每种视角的曲线同时示于一个附图中。从图10和11中可以看出，在视角之内的整个区域中几乎没有色差，以至于图像聚焦性能很优越。
用在本具体实例中的有三个波长区域的LED3(图9中未示出)与第一工作结构中使用的一样，并且具有图27所示的发射光谱。
另外，本具体实例的HOE 6的衍射效率的波长特性(对于蓝光的特性)示于图12和13。图12表示主光线(Py＝0mm)在各个视角-5°、0°和+5°(Y方向的视角；X方向的视角为0°)处的衍射效率的波长特性。图13表示以视角(X，Y)＝(0°，0°)穿过各个光瞳坐标-1.5mm、0mm和+1.5mm的光线衍射效率的波长特性。在图12中示出了主导衍射波长如何根据光瞳坐标移动，而在图13中示出了主导衍射波长如何根据光瞳坐标移动。在该具体实例中，因为光源比第一工作结构中更接近光瞳，所以也会发生在光瞳平面内的衍射波长移动。
在图12和13中，还叠加了(图27中所示LED 3的各种波长区域中)对应的B波长区域的发射光谱。实际上，到达观察者眼睛的光量(即亮度)是这两类曲线之积(即B波长区域的衍射效率和发射光谱之积)。图14中示出了屏幕内的亮度分布，光瞳平面内的亮度分布示于图15中。图14中的各个标出点对应于图12中各个视角处的衍射效率峰值与对应的峰值波长处LED 3发出的光强度之积。图15中的各个标出点对应于图13中各个光瞳坐标处衍射效率的峰值与对应峰值波长处LED 3发出的光强度之积。另外，图14和15中的竖轴表示以最大亮度取为1而归一化的亮度。
在本具体实例中，视角-5°和+5°处主导衍射波长λyb与视角中心处的主导衍射波长λob的相应比率λyb/λob为1.028和0.965，并且这样小于0.98，大于1.013，以至于上述的式(18)和式(19)的条件得以满足。结果如图15所示，光瞳平面内的强度接***坦。
另外，视角中心和周围的主导衍射波长之差|λyb-λob|分别为13.2和16.5，并且用于本具体实例中的光源的半峰全宽FWHMb为29nm；因此，当计算式(20)右侧的值时，获得视角-5°和+5°处的各个值0.46和0.57，使得式(20)的条件得以满足。结果，获得光瞳平面内和屏幕内平衡的亮度，如图14和15所示。
另外，参考光源的角度θ1b和光线跟踪光轴的入射角θ2之差为2.7°，使得式(21)的条件得以满足。
[第三工作结构]
图16是表示构成本发明第三工作结构的图像显示装置的结构简图，以及该图像显示装置中的光线(只是来自图像显示元件2的光线)路径。在图16中，与图1中相同的元件或对应于图1中的元件采用相同的标号标注并省去赘述。另外，图16中省去了构成光源的LED 3和反射镜4。
本工作结构与上述第一工作结构的根本区别在于下列方面：即在上述第一工作结构中，装置构造成使得反射式HOE 6选择性地只衍射和反射G波带成分，而在本工作结构中，装置构造成使得反射式HOE6选择性地只衍射和反射R波带成分。
另外，在本工作结构中，因为装置构造成使得反射式HOE 6选择性地只衍射和反射R波带成分，所以图27中只发射R波长区域成分的R单色LED可以用作LED 3。
此处，(在从图像显示元件2中发出并被反射式HOE 6衍射和反射之后到达用户眼中的R光(即图27中R波长区域的光)中)从图像显示元件2上的任意点发出并到达出射光瞳P中心P0的光线称作关于R波长区域中的主光线。
在本工作结构中，如果把相对于从图像显示元件2的显示部分中心发出的R波长区域的主光线被反射式HOE 6衍射和反射时衍射效率表现出最大值处的波长表示为λor，并且如果把相对于从图16所示Y方向上图像显示元件2的显示部分的周边部分发出的R波长区域的主光线被反射式HOE 6衍射和反射时衍射效率表现出最大值处的波长表示为λyr，则满足下列的式(22)或(23)。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，在用户眼睛的瞳孔中心偏离图像合成器的出射光瞳中心的情况下，图像质量可以提高：
1.013＜λyr/λor  …(22)
λyr/λor＜0.98   …(23)
另外，在本工作结构中，下面的式(24)也得到满足。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，由视角造成的相对于LED3发射光谱的R波长区域的宽度的波长移动量得到抑制，使得在显示屏部分中将会发生的光量下降的危险被消除。
0.2＜|(λyr-λor)/FWHMr|  …(24)
另外，在本工作结构中，如果(制造期间用于曝光反射式HOE 6的两个光源(对应于R波长区域)中)播放期间从位于观察者眼睛一侧上的光源向反射式HOE 6中心的入射角(在空气中计算得到的角度)设定为θ1r，并且如果从图像显示元件2显示部分中心发射并指向出射光瞳P的中心P0的光线的反射式全息光学元件处的反射角(在空气中计算得到的角度)表示为θ2，则下面给出的式(25)得到满足。因此，根据已经描述的内容将知道：在本工作结构中，视角端部处光线的减少可以在接近中心分布的状态下得到平衡。
0.8°＜|θ1r-θ2|  …(25)
此处将参考图16描述本工作结构的具体实例。该具体实例的各种光学量描述如下。
在本具体实例中，HOE 6的曝光波长设置在647nm。出射光瞳P的直径为3mm。图中纸平面内向上方向的视场角为5°。图中纸平面内向下方向的视场角为-5°。纸页深度方向上的视场角为±6.75°。图中纸平面内屏幕的大小(即点A1和点A2之间的长度)为3.6mm。纸页深度方向上屏幕的大小为4.8mm。板式部分5的厚度d为3.5mm。板式部分5采用与上述第一工作结构的具体实例中相同的材料。
另外，用于该具体实例中光线跟踪的各种量列于下表8。光学平面的顺序(平面号的顺序)是从用户眼睛的瞳孔平面(＝图像合成器1的出射光瞳P的平面)到图像显示元件2。
(表8)
平面号(标记)          曲率半径                介质nd                 νd
1(P)                   无限远2(5a：R4)              无限远                 1.596229                40.43(6)                   无限远                 1.596229                40.4反射平面全息平面：两个光束的定义HV1：REA                      HV2：VIRHX1：0.000000×10+00         HY1：-.124597×10+02         HZ1：-.841764×10+01HX2：0.000000×10+00         HY2：-.132998×10+06         HZ2：-.516363×10+06相位系数C2：   1.0778×10+00         C3：   1.8026×10-02         C5：   1.7958×10-03C7：  -1.3475×10-03         C9：  -1.2758×10-04         C10： -3.8516×10-05C12：  1.8068×10-04         C14：  7.4199×10-05         C16： -1.5243×10-05C18：  6.8532×10-06         C20： -3.9793×10-06         C21：  1.5435×10-06C23：  1.4019×10-06         C25：  3.3772×10-07         C27： -4.4250×10-06C29：  1.5818×10-06         C31： -1.4761×10-07         C33：  4.2293×10-07C35：  3.1500×10-08         C36：  2.4298×10-08         C38： -2.5636×10-07C40： -3.8160×10-07         C42： -4.2124×10-09         C44：  4.6437×10-07C46： -2.2460×10-08         C48： -1.0668×10-08         C50：  2.3493×10-08C52： -3.3721×10-08         C54：  1.1657×10-08         C55： -3.7867×10-10C57：  1.9619×10-08         C59：  2.6564×10-08         C61：  7.2079×10-09C63：  6.8830×10-09         C65： -1.7445×10-084(5a：R3)              无限远                 1.596229                40.4反射平面5(5b：R2)              无限远                 1.596229                40.4反射平面6(5a：R1)              无限远                 1.596229                40.4反射平面7(5c)                  -40.57208
变形的非球面KY：0.000000       KX：0.000000在X轴方向的曲率半径：-20.63634AR：0.979301×10-05    BR：-.785589×10-06    CR：-.561534×10-08DR：0.690209×10-38AP：-.245366×10+01    BP：-.272167×10+00    CP：-.123202×10+01DP：0.211276×10+068(2)               无限远
另外，关于该具体实例的各个光学平面的位置关系，在下列表9中示出了以第一平面(平面号1＝图16中的标记P)的中心取作原点(X，Y，Z)＝(0，0，0)的各个光学平面的中心的绝对位置，这些平面绕X轴的旋转量(以逆时针方向为正方向测得的值)。
(表9)
平面号(标记)     X坐标值     Y坐标值     Z坐标值    绕X轴的旋转角[°]
  1(P)2(5a：R4)3(6)4(5a：R3)5(5b：R2)6(5a：R1)7(5c)8(2)     0.000000.000000.000000.000000.000000.000000.000000.00000     0.000000.000000.000000.000000.000000.0000022.8000029.16123     0.0000013.0000014.7000013.0000016.5000013.0000013.1052224.93254     0.00000.0000-30.00000.00000.00000.000093.169345.4349
关于该具体实例中HOE 6的第一光源的位置，从下面看出：HX1：0，HY1：-.124597×10+02，HZ1：-.841764×10+01
这是图2中yz坐标的第三象限，离开原点的距离为15.04mm，以及从Z轴负方向测得的角度为56°。另外，因为HV1为REA，所以是发散光。因为HOE 6的两个光源定义在空气中，与第一工作结构一样，所以对折射率校正距离和角度，并且比较播放期间HOE 6处于介质中的情形。
HOE 6的平面位于距离光瞳平面14.7mm处；这个距离中的1.7mm处于折射率约为1.6的介质中。因此，就空气而言算出的长度为1.06mm，从而就空气而言算出的HOE 6到光瞳平面的距离为14.06mm。因此，在该实例中光源距离为使得光源接近虚像到光瞳之间光瞳的距离。
同时，关于角度，在空气中第一光源关于HOE6法线的入射角为56°。此处，因为播放期间光轴上的光以30°的入射角经折射率约为1.6的介质入射，所以该角度在空气中算出为53.1°。因此，曝光光束在HOE 6上的入射角θ1r以及播放光在HOE 6上的入射角θ2移动2.9°。结果，由于乳胶的收缩(假设为3.3％)，0°视角处的主导衍射波长从曝光波长647nm移到625.6nm；但是，作为第一光源角偏差的结果，该波长进一步轻微地移动。
当对本具体实例计算衍射效率时，分别以视角-5°、0°和+5°(Y方向的视角；X方向的视角为0°)穿过-1.5mm、0mm和+1.5mm的各个光瞳坐标Py的光线的衍射效率的主导波长示于下列表10。此处，光瞳坐标Py为图16所示纸平面中出射光瞳P内的Y轴方向的位置坐标；Py＝0mm的位置表示出射光瞳P的中心P0。另外，在光线穿过Py＝0mm的光瞳坐标的情况下，所有视角的光线都是主光线。
(表10)
    视角光瞳坐标Py     -5°     0°     +5°
    -1.5mm     654.32nm     644.45nm     628.00nm
    0mm     644.45nm     634.58nm     621.42nm
    +1.5mm     631.29nm     621.42nm     608.26nm
另外，用于表示本具体实例的光学***图像聚焦性能的横向像差曲线示于图17和18。在图17和18中，关于主导衍射波长±10nm的光线的横向像差关于每种视角的曲线同时示于一个附图中。从图17和18中可以看出，在视角之内的整个区域中几乎没有色差，以至于图像聚焦性能很优越。
用在本具体实例中的有三个波长区域的LED3(图16中未示出)与第一工作结构中使用的一样，并且具有图27所示的发射光谱。
另外，本具体实例的HOE 6的衍射效率的波长特性(对于红光的特性)示于图19和20。图19表示主光线(Py＝0mm)在各个视角-5°、0°和+5°(Y方向的视角；X方向的视角为0°)处的衍射效率的波长特性。图20表示以视角(X，Y)＝(0°，0°)穿过各个光瞳坐标-1.5mm、0mm和+1.5mm的光线衍射效率的波长特性。在图19中示出了主导衍射波长如何根据视角移动，而在图20中示出了主导衍射波长如何根据光瞳坐标移动。在该具体实例中，因为光源比第一工作结构中更接近光瞳，所以也会发生衍射波长在光瞳平面内移动。
在图19和20中，还叠加了(图27中所示LED 3的各种波长区域中)对应的R波长区域的发射光谱。实际上，到达观察者眼睛的光量(即亮度)是这两类曲线之积(即，R波长区域的衍射效率和发射光谱之积)。图21中示出了屏幕内的亮度分布，光瞳平面内的亮度分布示于图22中。图21中的各个标出点对应于图19中各个视角处的衍射效率峰值与对应峰值波长处LED 3发出的光强度之积。图22中的各个标出点对应于图20中各个光瞳坐标处衍射效率的峰值与对应峰值波长处LED 3发出的光强度之积。
在本具体实例中，视角-5°和+5°处主导衍射波长λyr与视角中心处的主导衍射波长λor的相应比率λyr/λor为1.016和0.979，并且这样小于0.98，大于1.013，以至于上述的式(22)和式(23)的条件得以满足。结果如图22所示，光瞳平面内的强度接***坦。
另外，视角中心和周围的主导衍射波长之差|λyr-λor|分别为9.87和13.16，并且用于本具体实例中的光源的半峰全宽FWHMr为23nm；因此，当计算式(24)右侧的值时，获得视角-5°和+5°处的各个值0.43和0.57，使得式(24)的条件得以满足。结果，在光瞳平面内和屏幕内都获得平衡的亮度，如图21和22所示。
另外，参考光源的角度θ1r和光线跟踪光轴的入射角θ2之差为2.9°，使得式(25)的条件得以满足。
[第四工作结构]
虽然附图中未示出，但构成本发明的第四工作结构的图像显示装置是一种对构成上述第一工作结构的具体实例的图像显示装置作如下改进的装置。
本工作结构的图像显示装置与上述第一工作结构的具体实例的图像显示装置的不同之处仅在于反射式HOE 6的构成。在本工作结构中，反射式HOE 6是一种上述第一工作结构的具体实例中的反射式HOE(G反射式HOE)、上述第二工作结构的具体实例中的反射式HOE(B反射式HOE)和上述第三工作结构的具体实例中的反射式HOE(R反射式HOE)的三层叠加。另外，如同在上述第一工作结构中一样，用在本工作结构中的LED 3也是有三个波长区域并具有图27所示发射光谱的LED。
当发自该LED3的三个波长区域的光束穿过图像显示元件2时，图像显示元件的单个显示单元可以空间分为三部分，从而形成分别对应于R、G和B的点，并且从而显示对应的图像，或者可以以时间为形式划分该显示单元，使得(例如)每1/90秒切换并显示分别对应于R、G和B的图像，并且使得LED的三个波长区域的光发射定时与此同步。另外，各个波长区域的图像信息经受HOE相应层的衍射作用和图像聚焦作用，在该光束导入观察者瞳孔中之后通过额外的颜色混合而获得全色图像。
用在本工作结构中的反射式HOE 6，即具有其中叠加了第一至第三工作结构的具体实例中的反射式HOE的结构的反射式HOE的像平面的亮度特性和光瞳平面的亮度特性分别示于图23和24。在图23和24中，竖轴表示亮度，其为衍射效率与LED的发光强度之积；这些值被取作1的最大亮度值归一化。
从图23中可以看出，因为在屏幕中三色的比例基本上相同，所以可以以良好的色平衡观看图像的整个区域。另外，从图24可以看出，关于光瞳平面，在光瞳坐标Py为正的方向上看到红光减少；但蓝光和绿光基本上平直。因此，相对于观察者眼睛移动的红色程度只有一些变化；亮度上没有突然的下降。
以上描述了本发明的各种工作结构以及这些工作结构的具体实例。但是，本发明不限于这些工作结构或具体实例。
例如，上述各种工作结构是其中利用本发明的图像合成器构造的头戴式图像显示装置的实例。但是，用在上述各种工作结构中的各种图像合成器1也可以构造成使得允许安置在相机取景器、显微镜和双目望远镜的目镜部分上，或者这些图像合成器也可以组合到相机、显微镜、双目望远镜等中。
另外，上述各种工作结构是本发明应用到透明式头置图像显示装置中的实例；但本发明也可以应用到不是透明式的图像显示装置中。在该情况下，上述各种工作结构的图像显示装置可以构造成使得来自外界的光不入射到图像合成器1上。在这种情况下，因为构成图像合成器1的部分不叠加两个图像，该部分不能称作图像合成器；相反，该部分构成把光从图像显示元件2导入用户眼睛的光导部分。在该情况下，图像合成器1中板式部分的下部(HOE6以下的部分)可以去除。例如，这种非透明式的图像显示装置可以以与日本专利申请公开JP2001-264682的情形相同的方式安装在便携式电话的滑动部分内。

Claims (9)

1.一种图像合成器，其中安装了反射式全息光学元件，来自外界的光叠加到来自图像显示部件的光上，该图像合成器的特征在于：
从图像显示部件发出的光具有分别延伸到一个或多个峰值波长前后的波长区域成分，并且
波长λo和波长λy不同，
其中λo为从图像显示部件的显示部分中心发出的主光线被反射式全息光学元件衍射之后衍射效率在一个或多个峰值波长中的单个峰值波长附近的波长区域中表现出最大值的波长，
λy为从显示部分的周边部分发出的主光线被反射式全息光学元件衍射之后衍射效率在该单个峰值波长附近的波长区域中表现出最大值的波长。
2.如权利要求1所述的图像合成器，其特征在于满足下列任一式(6)或(7)：
1.013＜λy/λo   …(6)
λy/λo＜0.98    …(7)
3.如权利要求1或2所述的图像合成器，其特征在于满足下列式(8)，其中FWHM是从图像显示部件发出的光的单个峰值波长的半峰全宽：
0.2＜|(λy-λo)/FWHM|       …(8)
4.如权利要求1至3任一所述的图像合成器，其特征在于满足下列式(9)，其中θ1是(制造该元件期间用于对反射式全息光学元件曝光的两个光源(对应于单个波长区域或单个其它波长区域)中)播放期间位于观察者眼睛一侧上的光源到反射式全息光学元件中心上的入射角(在空气中算出的角度)，θ2是从图像显示部件的显示部分中心发出并导入图像合成器出射光瞳的中心的光线在反射式全息光学元件处的反射角(在空气中算出的角度)：
0.8°＜|θ1-θ2|   …(9)
5.一种包括权利要求1至4任一所述的图像合成器和图像显示部件的图像显示装置，其特征在于使用期间至少把包含图像合成器的部分安置在用户身上。
6.一种包含图像显示部件和光导部分的图像显示装置，其中光导部分把来自图像显示部件的光导入用户的眼睛，该图像显示装置的特征在于：
光导部分具有反射式全息光学元件，
从图像显示部件发出的光具有分别延伸到一个或多个峰值波长之前或之后的波长区域成分，并且
波长λ0和波长λy不同，
其中，λo为从图像显示部件的显示部分中心发出的主光线被反射式全息光学元件衍射之后衍射效率在一个或多个峰值波长中的单个峰值波长附近的波长区域中表现出最大值的波长，
λy为从显示部分的周边部分发出的主光线被反射式全息光学元件衍射之后衍射效率在该单个峰值波长附近的波长区域中表现出最大值的波长。
7.如权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于满足下列任一式(6)或(7)：
1.013＜λy/λo   …(6)
λy/λo＜0.98    …(7)
8.如权利要求6或7所述的图像显示装置，其特征在于满足下列式(8)，其中FWHM是从图像显示部件发出的光的单个峰值波长的半峰全宽：
0.2＜|(λy-λo)/FWHM|     …(8)
9.如权利要求6至8任一所述的图像显示装置，其特征在于满足下列式(9)，其中θ1是(制造该元件期间用于对反射式全息光学元件曝光的两个光源(对应于单个波长区域或单个其它波长区域)中)播放期间位于观察者眼睛一侧上的光源到反射式全息光学元件中心上的入射角(在空气中算出的角度)，θ2是从图像显示部件的显示部分中心发出并导入图像合成器出射光瞳的中心的光线在反射式全息光学元件处的反射角(在空气中算出的角度)：
0.8°＜|θ1-θ2|        …(9)
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