CN100456068C

CN100456068C - 光学器件与图像显示设备

Info

Publication number: CN100456068C
Application number: CNB2006101414902A
Authority: CN
Inventors: 阿久津克之; 武川洋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: CN1940610A; KR101263515B1; US20070070504A1; KR20070036692A; JP4810949B2; JP2007094175A; US7502168B2

Abstract

一种光学器件，包含导光板、以及第一与第二反射体积全息衍射光栅部件。第一部件具有从其内部向其表面延伸、并且以等间距排列的干涉条纹。每个干涉条纹与第一部件的每个表面形成在其间形成倾斜角度。第一部件具有以下情形。(a)在位置比具有最小倾斜角度的最小倾斜角度区域更远离第二部件的外部区域中，干涉条纹的倾斜角度随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而增大。(b)在位置比最小倾斜角度区域更靠近第二部件的的内部区域中，干涉条纹的倾斜角度包括邻近最小倾斜角度区域放置的内部区域中的最大倾斜角度，并且随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而减小。

Description

光学器件与图像显示设备

技术领域

本发明涉及允许观察者观察由成像器件形成的二维图像的光学器件、以及装备有该光学器件的图像显示设备。

背景技术

PCT日本译文专利公开号8-507879、以及日本待审专利申请公开号2002-162598公开了配备有全息衍射光栅的虚像显示设备的已知例子。这样的设备允许观察者观察作为由虚像光学系统放大的虚像的由成像器件形成的二维图像。

图11示意性地显示了在PCT日本译文专利公开号8-507879中公开的虚像显示设备。该虚像显示设备包含：成像器件101、导光板102、透射全息透镜103、以及透射全息衍射光栅104。在成像器件101上显示的图像光被发射到导光板102，然后，由在导光板102内提供的透射全息透镜103准直(collimate)。在导光板102内部，对于全反射，图像光被偏转一角度。随后，图像光在于其中被全反射的同时穿过导光板102，然后进入透射全息衍射光栅104，其中图像光被衍射。透射全息衍射光栅104被配备在与导光板102内的透射全息透镜103相同的轴线上，并且与透射全息透镜103隔开预定的距离。被衍射的图像光从导光板102中释放作为准直光，并且被导向观察者的眼睛。

另一方面，图12A与12B示意性地显示了在日本待审专利申请公开号2002-162598中公开的虚像显示设备。该虚像显示设备包含：成像器件201、自由形式表面棱镜(free-form-surface prism)202、导光板203、第一全息光学元件204、第二全息光学元件205、第三全息光学元件206、以及第四全息光学元件207。下文中，将把每个全息光学元件简称为HOE(holographic opticalelement)。在成像器件201上显示的图像光穿过自由形式表面棱镜202，从而进入导光板203。在导光板203上入射的图像光通过第一HOE 204和第二HOE205而被连续地衍射和反射，其中，在与其入射表面相对的导光板203的表面上提供第一HOE 204，在导光板203的入射表面上提供第二HOE 205。在这种情况下，图像光被设置为临界角或者更大角度，从而在导光板203内被全反射。具有临界角或者更大角度的图像光在导光板203内被全反射的同时穿过导光板203，然后，通过第四HOE 207与第三HOE 206而被连续地衍射和反射，使得其变为临界角或更小角度。图像光从导光板102释放，并且被导向观察者的眼睛。

发明内容

在PCT日本译文专利公开号8-507879中公开的虚像显示设备具有将在以下描述的三个主要问题。

第一，在该虚像显示设备中，从成像器件101发射的图像光直接进入导光板102中的透射全息透镜(transmissive hologram lens)103。如果缩短成像器件101与透射全息透镜103之间的距离(即，透射全息透镜103的焦距)以便增大该虚像显示设备中的光学系统的放大率，则由于透射全息透镜103的可接受的衍射角度相对较小这一事实，而造成难以获得大的瞳径105。另外，因为在透射全息透镜103上形成的干涉条纹具有非球面相位分量的复杂图案，所以，难以提供多个数目的干涉条纹以增大透射全息透镜103的可接受的衍射角度、以便增大瞳径，或者，难以对透射全息透镜103赋予多层结构。这就意味着：在相同的波长和相同的入射角度上，难以在维持等衍射角的同时获得不同的衍射效率。

第二，在该虚像显示设备中，在导光板102中提供的透射全息透镜103偏转从成像器件101发射的图像光，并同时准直该图像光(即，同时产生光功率)。这可能造成较大程度的单色偏心象差(eccentric aberration)，这可能会减小要导向眼睛的显示图像的分辨率。

另外，在该虚像显示设备中，虽然在透射全息透镜103中产生的彩色象差由透射全息衍射光栅104纠正，但是，因为透射全息衍射光栅104对于入射光的偏转方向限于与图11的页面平行的方向，所以，至少难以消除在与页面垂直的方向上出现的象差。在透射全息透镜103中出现的彩色象差是由于在导光板102中提供的两个不同的透射全息光学元件(其为透射全息透镜103以及透射全息衍射光栅104)而造成的。这一问题导致了重要的限制条件，即，只允许使用窄波长范围的光源。实际上，通过来自眼睛的逆向光线追踪，对图11所示的虚像显示设备实际进行了模拟。该模拟的结果显示：即使彩色象差由这两个透射全息光学元件纠正，但是，当波长偏移±2nm时，成像器件101上仍存在±30μm的移位。

第三，即使用没有光功率的两个相同的透射体积全息衍射光栅来替换这两个透射全息光学元件(即，透射全息透镜103以及透射全息衍射光栅104)，仍存在以下问题。

通常，已知在特定入射角上，透射体积全息衍射光栅的衍射可接受波长范围大于反射体积全息衍射光栅的衍射可接受波长范围。因此，如果形成从成像器件101发射的图像光的光的波长范围较大，或者如果成像器件101由发射光的三基色RGB(R：红光、G：绿光、B：蓝光)的光源(红光发射光源、绿光发射光源、蓝光发射光源)限定，并且，如果从每个光源发射的光的波长的间隔较短(意味着如果从每个光源发射的光的波长范围较宽)，则可能出现由大量衍射造成的彩色色散、即衍射彩色色散。例如，用于绿光(中心波长550nm)的透射体积全息衍射光栅具有大约400到630nm波长范围的大约10％的衍射效率，这意味着：绿光的透射体积全息衍射光栅可能会不利地衍射从蓝光发光二极管(发光波长范围410到490nm)以及红光发光二极管(发光波长范围600到660nm)发射的一部分光。

可以通过使用具有以相同间距排列的干涉条纹的两个全息衍射光栅，消除由衍射彩色色散造成的彩色象差。但是，如果在全息衍射光栅之一中发生的彩色色散较大，则透射通过导光板的光的扩散变大。这意味着：当光由另一全息衍射光栅衍射、然后从导光板发射时，光的传播方向依赖于波长而显著地变大，由此，损害了要在观察者的眼睛上显示的虚像的颜色的均匀性。

另一方面，在日本待审专利申请公开号2002-162598中公开的虚像显示设备中，因为来自成像器件201的图像光在导光板203内中间形成，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，该虚像显示设备具有可能出现偏心象差的问题。为了减轻该虚像显示设备中的这样的偏心象差，以非轴对称的方式放置自由形式表面棱镜202、第一HOE 204、第二HOE 205、第三HOE 206、以及第四HOE 207。然而，因为每个HOE的衍射效率的上限基本上在70％和80％之间，所以，所述四个HOE的总衍射效率等于70％到80％的四次方。由此，显著地降低了衍射效率。另外，未被第一HOE 204与第二HOE 205衍射的导光板203内的光束不进入第三HOE 206与第四HOE 207。因此，这存在问题，即：难以改善光使用率、以及扩大可观察范围。

本发明人已在日本专利申请2004-97222中提出了一种虚像显示设备，用来解决在PCT日本译文专利公开号8-507879以及日本待审专利申请公开号2002-162598中公开的虚像显示设备中的问题。

参照图13，虚像显示设备300包括：成像器件301，其显示图像；以及虚像光学系统，其接收在成像器件301上显示的图像光，并且将光导向观察者的眼睛306。具体地，该虚像光学系统包括：准直器光学单元305、导光板302、以及两者均在导光板302上提供的第一透射体积全息衍射光栅303和第二透射体积全息衍射光栅304。准直器光学单元305接收从成像器件301中的对应像素发射的光束。准直器光学单元305生成包括具有相对于导光板302的不同入射角的多个准直光束的准直光束组，并向导光板302发射准直光束组。导光板302的一端与作为从准直器光学单元30发射的准直光束组进入的位置的光入射部分302A相对应，并且，导光板302的另一端与作为向外发射准直光束组的位置的光出射部分302B。准直光束组从导光板302的一个光学表面(前面)302C进入导光板302，并且从导光板302出射。另一方面，与导光板302的光学表面302C平行的、导光板302的另一个光学表面(背面)302D在其上附接有第一透射体积全息衍射光栅303和第二透射体积全息衍射光栅304。

包含以不同的入射角进入导光板302的光入射部分302A的准直光束的准直光束组进入第一透射体积全息衍射光栅303，其中准直光束被衍射和反射。衍射的准直光束组穿过导光板302，同时在光学表面302C与302D之间经历全反射，并且进入第二透射体积全息衍射光栅304。入射到第二透射体积全息衍射光栅304上的准直光束组被衍射和反射，从而不受全反射条件的影响。因此，准直光束组从光出射部分302B被发射，从而被导向观察者的眼睛306。

在第二透射体积全息衍射光栅304内形成的干涉条纹的图案、以及在第一透射体积全息衍射光栅303内形成的干涉条纹的图案相对于垂直于导光板302的轴线延伸的假想平面而彼此对称。因而，要由第二透射体积全息衍射光栅304衍射和反射的准直光束组以与第一透射体积全息衍射光栅303上的准直光束组的入射角相同的角度而被衍射和反射。由此，可以在眼睛306上显示高分辨率的显示图像、而没有图像模糊。

因而，虚像显示设备300被提供有无透镜效应的第一透射体积全息衍射光栅303和第二透射体积全息衍射光栅304，由此，可以消除或减小单色偏心象差、以及衍射彩色象差。

提供多个在虚像显示设备300的第一透射体积全息衍射光栅303和第二透射体积全息衍射光栅304内形成的干涉条纹，或者，衍射光栅具有多层结构。干涉条纹具有固定的倾斜角度(即，每个干涉条纹与第一透射体积全息衍射光栅303和第二透射体积全息衍射光栅304中的每一个的表面之间形成的固定角度)。另外，因为第一透射体积全息衍射光栅303上的多个准直光束的入射角依赖于从成像器件301的发射位置而变化，所以，满足布拉格条件的衍射波长在第一透射体积全息衍射光栅303的各个区域中不同。结果，在第一透射体积全息衍射光栅303的各个区域中衍射和反射的光束的衍射效率具有变化。具体地，参照图14，如果在第一透射体积全息衍射光栅303上入射的光具有特定的波长范围，则以最高效率衍射的波长依赖于从成像器件301的发射位置而变化。这导致了根据成像器件301中像素位置的、在导向眼睛的像素图像中不均匀的着色。在图14中，波长λ₁、λ₂、λ₃表示依赖于成像器件301的发射位置的、以最高效率衍射的波长。另一方面，在第一透射体积全息衍射光栅303上入射的光具有单一波长的情况下，如果衍射效率依赖于从成像器件301的发射位置而变化，则可能会引入亮度的不均匀。

期望提供一种光学器件，其中，可以减小依赖于准直光束入射角的颜色与亮度的不均匀性，并且，期望提供一种配备有该光学器件的图像显示设备。

根据本发明的实施例的光学器件包含：导光板，其接收包含沿不同方向行进的多个准直光束的准直光束组，该准直光束组穿过导光板，同时在其中经历全反射，然后从导光板出射；第一衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在导光板上入射的准直光束组，从而允许准直光束组在导光板内经历全反射；以及第二衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射透射通过导光板的准直光束组，并且直接从导光板发射该准直光束组。第一衍射光栅部件被提供有从第一衍射光栅部件内向其表面延伸的干涉条纹，第一衍射光栅部件表面上的干涉条纹以等间距排列。当在第一衍射光栅部件中的每个干涉条纹与第一衍射光栅部件的每个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度时，第一衍射光栅部件具有以下情形：

(a)第一衍射光栅部件具有：最小倾斜角度区域，其含有具有最小倾斜角度的干涉条纹；以及外部区域，其位置比最小倾斜角度区域更远离第二衍射光栅部件，并且外部区域中的干涉条纹的倾斜角度随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而增大，以及

(b)第一衍射光栅部件具有内部区域，其位置比最小倾斜角度区域更靠近第二衍射光栅部件，并且内部区域中的干涉条纹的倾斜角度包括邻近最小倾斜角度区域放置的内部区域中的最大倾斜角度，并且随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而减小。

根据本发明的实施例的图像显示设备包含：成像器件；准直器光学单元，其被配置来准直从成像器件发射的光束；以及根据上述实施例的光学器件，其接收由准直器光学单元沿不同方向准直并且定向的准直光束，然后引导并且发射准直光束。

在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，存在以下情况：第一衍射光栅部件没有从含有具有最小倾斜角度的干涉条纹的最小倾斜角度区域延伸到更远离第二衍射光栅部件的区域。在这种情况下，不用考虑条件(a)。相反，存在以下情况：第一衍射光栅部件没有从最小倾斜角度区域延伸到更靠近第二衍射光栅部件的区域。在这种情况下，不用考虑条件(b)。

在本发明的上述实施例中，优选地，第一衍射光栅部件中的干涉条纹包含P种干涉条纹，以便设置对具有不同波长范围(或者波长)且限定准直光束的P种光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P为整数。因而，当具有不同波长范围(或者波长)的准直光束由第一衍射光栅部件衍射和反射时，该结构有利于增大衍射效率、增大可接受的衍射角度、以及优化衍射角度。无论准直光束的波长范围(或者波长)如何，衍射和反射特定入射角度的准直光束的P种干涉条纹均具有相同的倾斜角度。术语“P种干涉条纹”有时可以被称为“提供多个数目的(P种)干涉条纹”。

优选地，在本发明的上述实施例中，当将第二衍射光栅部件的中心定义为原点时，当将延伸通过原点的第二衍射光栅部件的法线定义为X轴时，当将延伸通过原点的导光板的轴线定义为Y轴时，当将由用于观察与由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且从导光板释放的准直光束组相对应的图像的X轴上的观察点与位置最靠近第一衍射光栅部件的准直光束之一形成的角度定义为张角θ＝θ₀(＞0)时，以及当将观察点与位置最远离第一衍射光栅部件的另一准直光束形成的角度定义为张角θ＝-θ₀(＜0)时，其中准直光束由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且位于X-Y平面内，在提供具有最大倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第一衍射光栅部件衍射和反射对应于要给定张角θ＝θ₀的准直光束的准直光束，并且，在提供具有最小倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第一衍射光栅部件衍射和反射对应于要给定张角θ＝-θ₀的准直光束的准直光束。

详细地，术语“张角”指当从光学系统的光学空间观看光学系统的对象范围(object range)时的观看角度。

可替换地，在本发明的上述实施例中，第一衍射光栅部件可以包含由Q层反射体积全息衍射光栅限定的衍射光栅层，其中Q为整数。在这种情况下，在第一衍射光栅部件的每个衍射光栅层中提供干涉条纹，并且，该干涉条纹从每个衍射光栅层内部向其表面延伸。另外，每个衍射光栅层上的干涉条纹以等间距排列，并且，以相同间距排列衍射光栅层中的干涉条纹。该多层结构有利于减小第一衍射光栅部件在导光板的轴向方向上的长度、减小导光板的厚度、以及增大可以由第一衍射光栅部件衍射和反射的准直光束的入射角度的范围。

另外，在这种情况下，第一衍射光栅部件中的衍射光栅层可以具有彼此不同的最小倾斜角度与不同的最大倾斜角度。可替换地，可以将第一衍射光栅部件的衍射光栅层中的至少一层中的最小倾斜角度设置为另一衍射光栅层中的最小倾斜角度与最大倾斜角度之间的值，或者，将衍射光栅层的所述至少一层中的最大倾斜角度设置为所述另一衍射光栅层中的最小倾斜角度与最大倾斜角度之间的值。

作为另一替换方案，当将第二衍射光栅部件的中心定义为原点时，当将延伸通过原点的第二衍射光栅部件的法线定义为X轴时，当将延伸通过原点的导光板的轴线定义为Y轴时，当将由用于观察对应于由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且从导光板释放的准直光束组的图像的X轴上的观察点与位置最靠近第一衍射光栅部件的准直光束之一形成的角度定义为张角θ_q＝θ_{q_0}(＞0)时，以及当将观察点与位置最远离第一衍射光栅部件的另一准直光束形成的角度定义为张角θ_q＝-θ_{q_0}(＜0)时，其中准直光束由第q衍射光栅层、随后由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且位于X-Y平面内，其中q为从中1到Q中选择的整数，可以在提供具有最大倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝θ_{q_0}的准直光束的准直光束，并且，可以在提供具有最小倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝-θ_{q_0}的准直光束的准直光束。

根据本发明的另一实施例的光学器件包含：导光板，其接收包含沿不同方向行进的多个准直光束的准直光束组，该准直光束组穿过导光板，同时在其中经历全反射，然后从导光板出射；第一衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在导光板上入射的准直光束组，从而允许准直光束组在导光板内经历全反射；以及第二衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射透射通过导光板的准直光束组，并且直接从导光板发射该准直光束组。当第一衍射光栅部件假设包含由Q层反射体积全息衍射光栅形成的假想衍射光栅层(其中Q为整数)时，每个假想衍射光栅层在其表面上具有以等间距排列的干涉条纹，其中所述假想衍射光栅层中的干涉条纹以相同间距排列。当将在每个假想衍射光栅层中的每个干涉条纹与假想衍射光栅层的每个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度时，每个假想衍射光栅层具有以下情形：

(a)每个假想衍射光栅层具有：最小倾斜角度区域，其含有具有最小倾斜角度的干涉条纹；以及外部区域，其位置比最小倾斜角度区域更远离第二衍射光栅部件，并且外部区域中的干涉条纹的倾斜角度随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而增大，以及

(b)每个假想衍射光栅层具有内部区域，其位置比最小倾斜角度区域更靠近第二衍射光栅部件，并且内部区域中的干涉条纹的倾斜角度包括邻近最小倾斜角度区域放置的内部区域中的最大倾斜角度，并且随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而减小。如果将第一衍射光栅部件从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R个段，其中R为整数，则第一衍射光栅部件的第r段RG_{1_r}具有包含Q个假想衍射光栅层的对应段VG_(r，q)的多层结构，当将每个假想衍射光栅层从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R个段时，获得段VG_(r，q)，其中q为从1到Q的范围中选择的非冗余任意整数。

根据本发明的另一实施例的图像显示设备包含：成像器件；准直器光学单元，其被配置来准直从成像器件发射的光束；以及根据上述实施例的光学器件，其接收由准直器光学单元沿不同方向准直并且定向的准直光束，然后引导并且发射准直光束。

在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，存在以下情况：每个假想衍射光栅层没有从含有具有最小倾斜角度的干涉条纹的最小倾斜角度区域延伸到更远离第二衍射光栅部件的区域。在这种情况下，不用考虑条件(a)。相反，存在以下情况：每个假想衍射光栅层没有从最小倾斜角度区域延伸到更靠近第二衍射光栅部件的区域。在这种情况下，不用考虑条件(b)。

在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，存在以下情况：第一衍射光栅部件中的区域与段以一一对应的方式相互对应，并且还存在以下情况：它们不以一一对应的方式相互对应。以下将在优选实施例的描述中详细描述这一点。另外，第一衍射光栅部件可以实质上包含由Q层反射体积全息衍射光栅限定的衍射光栅层，其中Q为整数。

优选地，在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，每个假想衍射光栅层中的干涉条纹包含P种干涉条纹，以便设置对具有不同波长范围并且限定准直光束的P种光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P为整数。因而，当具有不同波长范围(或者波长)的准直光束由第一衍射光栅部件衍射和反射时，该结构有利于增大衍射效率、增大可接受的衍射角度、以及优化衍射角度。无论准直光束的波长范围(或者波长)如何，衍射和反射特定入射角度的准直光束的P种干涉条纹均具有相同的倾斜角度。

在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，当将第二衍射光栅部件的中心定义为原点时，当将延伸通过原点的第二衍射光栅部件的法线定义为X轴时，当将延伸通过原点的导光板的轴线定义为Y轴时，当将由用于观察对应于由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且从导光板释放的准直光束组的图像的X轴上的观察点与位置最靠近第一衍射光栅部件的假设的准直光束之一形成的角度定义为张角θ_q＝θ_{q_0}(＞0)时，以及当将观察点与位置最远离第一衍射光栅部件的另一假设的准直光束形成的角度定义为张角θ_q＝-θ_{q_0}(＜0)时，其中假设的准直光束假定由第q衍射光栅层、随后由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且位于X-Y平面内，其中q为从中1到Q中选择的整数，可以在提供具有最大倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝θ_{q_0}的假设的准直光束的假设的准直光束，并且，可以在提供具有最小倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝-θ_{q_0}的假设的准直光束的假设的准直光束。

另外，在以上所有所述本发明的实施例中，准直光束组在导光板内经历全反射的次数可以取决于准直光束组在导光板上的入射角度而变化。因而，这有利于减小第一衍射光栅部件在导光板的轴向方向上的长度、减小导光板的厚度、以及增大可以由第一衍射光栅部件衍射和反射的准直光束的入射角度的范围。

在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，包含沿不同方向定向的准直光束的准直光束组必须进入导光板。必须准直光束的原因基于以下事实：当光束进入导光板时获得的波前信息必须被保持，即使在光束通过第一衍射光栅部件与第二衍射光栅部件而从导光板出射以后也如此。详细地，为了产生包含多个沿不同方向定向的准直光束的准直光束组，可以将成像器件置于对应于准直器光学单元的焦距的位置上。准直器光学单元具有将对应于从成像器件发射的光束的像素的位置信息转换为光学器件的光学系统中的角度信息的功能。

在根据上述实施例的光学器件与图像显示设备中，导光板具有与导光板的轴线平行延伸的两个平行的表面(下文中将被称为第一表面与第二表面)。如果准直光束进入的导光板的表面为入射表面、并且准直光束从其出射的导光板的表面为出射表面，则入射表面与出射表面两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。在前一种情况下，将第一衍射光栅部件与第二衍射光栅部件置于第二表面上。在后一种情况下，将第一衍射光栅部件置于第二表面上，而将二衍射光栅部件置于第一表面上。导光板可以由例如玻璃材料(包含光学玻璃，例如石英玻璃与BK7)或者塑料材料(例如PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、非晶聚丙烯树脂、以及包含AS树脂的聚苯乙烯树脂)形成。

由反射体积全息衍射光栅形成的第一衍射光栅部件与第二衍射光栅部件的材料与基本结构可以与现有技术中的反射体积全息衍射光栅的材料与基本结构相同。术语“反射体积全息衍射光栅”表示仅衍射和反射+1级衍射光的全息衍射光栅。

第一衍射光栅部件被提供有从其内部向其表面延伸的干涉条纹。该干涉条纹的形成方法可以与现有技术中的形成方法相同。详细地，例如，用对象光从第一预定方向照射第一衍射光栅部件，并且同时用参照光从第二预定方向照射第一衍射光栅部件。对象光与参照光形成在第一衍射光栅部件内记录的干涉条纹。通过适当地选择第一预定方向、第二预定方向、以及对象光与参照光的适当波长，可以以所希望的倾斜角度、按期望的间距排列第一衍射光栅部件的表面中的干涉条纹。如上所述，根据第一衍射光栅部件的不同的区域，向干涉条纹给定各种倾斜角度。

在每个上述实施例中，第一衍射光栅部件可以包含由Q层反射体积全息衍射光栅限定的衍射光栅层。可以通过以下步骤形成衍射光栅层的多层结构：分别形成Q个衍射光栅层，然后利用例如紫外线可固化粘合剂(ultravioletcurable adhesive)，相互叠放(粘附)Q个衍射光栅层。可替换地，可以通过以下步骤形成Q个衍射光栅层：利用粘性光敏聚合物材料形成一个衍射光栅层，随后在其上粘附另一层粘性光敏聚合物材料。

在以上所有所述实施例中，向第一衍射光栅部件中的干涉条纹给定各种倾斜角度。倾斜角度可以按步进的方式、或按连续的方式变化。在前一种情况下，如果将第一衍射光栅部件从最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为S个区段，则第一衍射光栅部件的第s(s＝1、2、...、S)区段RG_{1_s}中的倾斜角度可以是固定的，并且当s值不同时，可以不同地设置第一衍射光栅部件的区段RG_{1_s}中的倾斜角度。另一方面，在后一种情况下，干涉条纹的倾斜角度可以逐渐增大。通过以下步骤可以获得倾斜角度的这种逐渐的变化：利用棱镜或透镜而向对象光和/或参照光给定适当的波前，然后使反射体积全息衍射光栅暴露于对象光和/或参照光。

另一方面，可以向在第二衍射光栅部件中配备的干涉条纹给定固定的倾斜角度或各种倾斜角度。在后一种情况下，优选地，倾斜角度朝向第一衍射光栅部件增大。这有利于进一步减小颜色与亮度的不均匀性。倾斜角度可以按步进的方式或者按连续的方式变化。换言之，在前一种情况下，如果将第二衍射光栅部件从最靠近第一衍射光栅部件的区段到最远离第一衍射光栅部件的区段分为T个区段，则第二衍射光栅部件的第t(t＝1，2，...，T)区段RG_{2_t}中的倾斜角度可以是固定的，并且，此外，当t值增大时，可以增大第二衍射光栅部件的区段RG_{2_t}中的倾斜角度。另一方面，在后一种情况下，干涉条纹的倾斜角度可以逐渐改变。

以下为在根据上述实施例的图像显示设备中包含的成像器件的例子。一个例子为成像器件，其包含发光元件，如有机EL(电致发光)元件、非有机EL元件、以及发光二极管(LED)。另一个例子为具有光源(例如LED)以及光阀的组合的成像器件。光阀可以是(例如)数字微镜器件(DMD)或者液晶显示器件，例如LCOS(硅上液晶)。另一个例子为具有光源以及扫描光学系统(例如微电子机械系统(MEMS)与检流计镜，其水平和垂直地扫描从光源发射的准直光束)的组合的成像器件。

以下为包含发光元件的成像器件、以及包含光源和光阀的成像器件的特定例子。除非另有说明，可以基于成像器件的所期望的规格确定在成像器件中包含的发光元件的数目。

(1)成像器件A

成像器件A为彩色显示类型，其包含：第一成像单元，其包括第一发光元件面板，在第一发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射蓝光的第一发光元件；第二成像单元，其包括第二发光元件面板，在第二发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射绿光的第二发光元件；第三成像单元，其包括第三发光元件面板，在第三发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射红光的第三发光元件；以及组合单元，其被配置来在单个光学路径上组合从第一成像单元、第二成像单元、以及第三成像单元发射的光。该组合单元可以是例如二向色棱镜(dichroic prism)，其可以在以下所述的例子中类似地使用。成像器件A在发光与不发光模式之间控制第一成像单元、第二成像单元、以及第三成像单元。

(2)成像器件B

成像器件B为彩色显示类型，其包含：第一成像单元，其包括发射蓝光的第一发光元件，以及被配置来控制从第一发光元件发射的蓝光的透射/不透射的第一光透射控制器(其为光阀类型，如液晶显示器件、数字微镜器件(DMD)、以及LCOS(硅上液晶)，其可以在以下所述的例子中类似地使用)；第二成像单元，其包括发射绿光的第二发光元件，以及被配置来控制从第二发光元件发射的绿光的透射/不透射的第二光透射控制器(光阀)；第三成像单元，其包括发射红光的第三发光元件，以及被配置来控制从第三发光元件发射的红光的透射/不透射的第三光透射控制器(光阀)；以及组合单元，其被配置来在单个光学路径上组合透射通过第一光透射控制器、第二光透射控制器、以及第三光透射控制器的光。通过利用光透射控制器而控制从发光元件发射的光的透射/不透射，来显示图像。作为被配置来引导从第一成像单元、第二成像单元、以及第三成像单元发射的光朝向对应的光透射控制器的引导单元，可以使用例如导光元件、微透镜阵列、反射镜(mirror)、反射板、或者汇聚透镜。

(3)成像器件C

成像器件C为彩色显示类型，其包含：第一成像单元，其包括第一发光元件面板、以及被配置来控制从第一发光元件发射的蓝光的透射/不透射的蓝光透射控制器(光阀)，在第一发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射蓝光的第一发光元件；第二成像单元，其包括第二发光元件面板、以及被配置来控制从第二发光元件发射的绿光的透射/不透射的绿光透射控制器(光阀)，在第二发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射绿光的第二发光元件；第三成像单元，其包括第三发光元件面板、以及被配置来控制从第三发光元件发射的红光的透射/不透射的红光透射控制器(光阀)，在第三发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射红光的第三发光元件；以及组合单元，其被配置来在单个光学路径上组合透射通过蓝光透射控制器、绿光透射控制器、以及红光透射控制器的光。通过利用光透射控制器(光阀)而控制从第一发光元件面板、第二发光元件面板、以及第三发光元件面板发射的光的透射/不透射，来显示图像。

(4)成像器件D

成像器件D为场顺序彩色显示类型，其包含：被提供有发射蓝光的第一发光元件的第一成像单元；被提供有发射绿光的第二发光元件的第二成像单元；被提供有发射红光的第三发光元件的第三成像单元；组合单元，其被配置来在单个光学路径上组合从第一成像单元、第二成像单元、以及第三成像单元发射的光；以及光透射控制器(光阀)，其被配置来控制从组合单元发射的组合光的透射/不透射。通过利用光透射控制器而控制从发光元件发射的光的透射/不透射，来显示图像。

(5)成像器件E

成像器件E为场顺序彩色显示类型，其包含：第一成像单元，其包括第一发光元件面板，在第一发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射蓝光的第一发光元件；第二成像单元，其包括第二发光元件面板，在第二发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射绿光的第二发光元件；第三成像单元，其包括第三发光元件面板，在第三发光元件面板中以二维矩阵方式排列发射红光的第三发光元件；组合单元，其被配置来在单个光学路径上组合从第一成像单元、第二成像单元、以及第三成像单元发射的光；以及光透射控制器(光阀)，其被配置来控制从组合单元发射的组合光的透射/不透射。通过利用光透射控制器而控制从发光元件发射的光的透射/不透射，来显示图像。

(6)成像器件F

成像器件F为无源矩阵或有源矩阵彩色显示类型，其通过控制第一发光元件、第二发光元件、以及第三发光元件的透射/不透射模式，来显示图像。

(7)成像器件G

成像器件G为场顺序彩色显示类型，其包含：光透射控制器(光阀)，其被配置来从以二维矩阵方式排列的发光单元发射的光的透射/不透射。该器件以时分方式控制在发光单元中包含的第一发光元件、第二发光元件、以及第三发光元件的透射/不透射模式，并且，通过利用光透射控制器而控制从第一发光元件、第二发光元件、以及第三发光元件发射的光的透射/不透射，来显示图像。

在根据本发明的上述实施例的图像显示设备中包含的准直器光学单元为具有正光学功率的光学单元，并且可以由凸透镜、凹透镜、自由形式表面棱镜、全息透镜、或者这些光学元件的组合形成。

根据上述实施例的光学器件可以并入例如安装在头部上的显示器(HMD)。另外，根据本发明的上述实施例的图像显示设备可以是例如HMD。这有利于轻型且紧密的结构，并且安装的麻烦较少，并还有利于减小制造成本。

从成像器件发射、并且透射通过准直器光学单元的多个准直光束依赖于来自成像器件的发射位置，具有相对于第一衍射光栅部件的各种入射角度。在具有倾斜角度固定的干涉条纹的第一衍射光栅部件中，满足布拉格条件的衍射波长在第一衍射光栅部件的每个区域中都不同。在本发明的上述实施例中，向第一衍射光栅部件中的干涉条纹给定各种倾斜角度，使得即使准直光束以不同的入射角度进入第一衍射光栅部件，在第一衍射光栅部件的每个区域中也都满足布拉格条件。因此，在第一衍射光栅部件的每个区域中，可以使特定波长范围的衍射效率恒定在最大的程度。这减小了在根据成像器件中的像素位置而导向眼睛的像素图像中出现不均匀上色或亮度的可能性。另外，通过将第一衍射光栅部件的预定区域中的干涉条纹的倾斜角度设置为预定值，可以将在第一衍射光栅部件上入射、并且由第一衍射光栅部件衍射和反射的准直光束适当地导向第二衍射光栅部件的预定区域。另外，通过向第一衍射光栅部件给定包含Q个衍射光栅层的多层结构，可以在导光板的轴向方向上减小第一衍射光栅部件的长度，同时实现较大的张角。

附图说明

图1示意性地显示了根据本发明的第一实施例的光学器件以及图像显示设备；

图2A为显示在第一实施例中的准直光束在导光板中经历全反射的次数、张角θ、以及准直光束在第一衍射光栅部件上的入射位置之间的关系的图，并且，图2B和2C为根据第一实施例的第一衍射光栅部件的示意剖面图；

图3A为显示在第二实施例中的准直光束在导光板中经历全反射的次数、张角θ、以及准直光束在第一衍射光栅部件上的入射位置之间的关系的图，并且，图3B为根据第二实施例的第一衍射光栅部件的示意剖面图；

图4A为显示在第三实施例中的准直光束在导光板中经历全反射的次数、张角θ、以及准直光束在第一衍射光栅部件上的入射位置之间的关系的图，并且，图4B为根据第三实施例的第一衍射光栅部件的示意剖面图；

图5A为显示在第四实施例中的准直光束在导光板中经历全反射的次数、张角θ、以及准直光束在第一衍射光栅部件上的入射位置之间的关系的图，并且，图5B为根据第四实施例的第一衍射光栅部件的示意剖面图；

图6示意性地显示了第一衍射光栅部件区域中衍射效率的角度特性重叠的状态；

图7A为显示根据第四实施例的修改例的准直光束在导光板中经历全反射的次数、张角θ、以及准直光束在第一衍射光栅部件上的入射位置之间的关系的图，并且，图7B为根据第四实施例的修改例的第一衍射光栅部件的示意剖面图；

图8A为根据第五实施例的光学器件中的第一衍射光栅部件的示意剖面图，图8B为当假想衍射光栅层被假设为相互叠放时、在第一衍射光栅部件中包含的假想衍射光栅层的示意剖面图，并且，图8C为根据第五实施例的光学器件中的修改后的第一衍射光栅部件的示意剖面图；

图9示意性地显示了准直光束在图8A所示的具有多层结构的第一衍射光栅部件上入射的情况；

图10显示了是否衍射和反射入射到多层结构的衍射光栅层的光束；

图11示意性地显示了在PCT日本译文专利公开号8-507879中公开的虚像显示设备；

图12A与12B示意性地显示了在日本待审专利申请公开号2002-162598中公开的虚像显示设备；

图13示意性地显示了在日本专利申请号2004-97222中公开的虚像显示设备；以及

图14示意性地显示了从定义虚像显示设备的图像显示设备发射的用于成像的光的波长谱。

具体实施方式

现在，参照附图而描述本发明的优选实施例。

第一实施例

本发明的第一实施例涉及光学器件、以及图像显示设备。图1示意性地显示了根据本发明的第一实施例的光学器件20以及图像显示设备10。

根据本发明的第一实施例的图像显示设备10包括：成像器件11；准直器光学单元12，其被配置来准直从成像器件11发射的光束；以及光学器件20，其接收由准直器光学单元12沿不同方向准直和定向的多个准直光束，然后，引导并且发射准直光束。例如，成像器件11为液晶显示器件(LCD)。例如，准直器光学单元12为凸透镜。为了产生包含沿不同方向行进的多个准直光束的准直光束组，将成像器件11置于对应于准直器光学单元12焦距的位置上。

根据本发明的第一实施例的光学器件20包括：导光板21、第一衍射光栅部件30、以及第二衍射光栅部件40。具体地，包含沿不同方向行进的多个准直光束的准直光束组进入导光板21，在其中经历全反射的同时穿过导光板21，并且从导光板21出射。第一衍射光栅部件30包括反射体积(reflectivevolume)全息衍射光栅，其衍射和反射在导光板21上入射的准直光束组，从而允许准直光束组在导光板21中经历全反射。第二衍射光栅部件40包括反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在其中经历全反射的同时穿过导光板21的准直光束组，并且，直接从导光板21发射准直光束组。

参照图2B的示意性剖面图，第一衍射光栅部件30具有从第一衍射光栅部件30内部向其表面延伸的干涉条纹31。在第一衍射光栅部件30表面上的干涉条纹31以等间距排列。

参照图2B、或图2C的示意性剖面图(还参照第二实施例的图3B)，当在第一衍射光栅部件30中的每个干涉条纹31与第一衍射光栅部件30的一个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度时，第一衍射光栅部件30可以具有以下情形：

(a)第一衍射光栅部件30具有：最小倾斜角度区域RG_MIN，其含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹31；以及外部区域RG_OUT，其位置比最小倾斜角度区域RG_MIN远离第二透射体积全息衍射光栅304，并且外部区域RG_OUT中的干涉条纹31的倾斜角度

随着与最小倾斜角度区域RG_MIN的距离的增大而增大，以及

(b)第一衍射光栅部件30具有内部区域RG_IN，其位置比最小倾斜角度区域RG_MIN更接近第二衍射光栅部件40，并且内部区域RG_IN中的干涉条纹31的倾斜角度

包括邻近最小倾斜角度区域RG_MIN放置的内部区域RG_IN-NEAR中的最大倾斜角度

并且随着与最小倾斜角度区域RG_MIN的距离的增大而减小。

参照图1，以下将描述导光板21内的准直光束的工作情况。在包括对第二到第五实施例的描述的以下描述中使用的术语“全反射”表示全部内反射或者导光板内的全反射。

第二衍射光栅部件40的中心由原点O定义。将把延伸通过原点O的第二衍射光栅部件40的法线定义为X轴。将把延伸通过原点O的导光板21的轴线定义为Y轴。另外，观察与由第二衍射光栅部件40衍射和反射、并从导光板21释放的准直光束组相对应的图像的眼睛50假定存在于X轴上的一点处。眼睛50的X坐标值对应于眼睛间隙d。为了简化以下描述，下面将描述位于X-Y平面内的准直光束。另外，将从原点O到靠近第二衍射光栅部件40的第一衍射光栅部件30的一端的距离称为L₁，并且，将从原点O到远离第二衍射光栅部件40的第一衍射光栅部件30的一端的距离称为L₂。

光束r₁(由实线指示)、光束r₂(由点划线指示)、以及光束r₃(由虚线指示)从成像器件11发射，并且透射通过准直器光学单元12，其中，光束r₁至r₃分别变为入射角+θ_IN(＞0)、入射角+0(°)、以及入射角-θ_IN(＜0)的准直光束。随后，准直光束进入导光板21，然后，进入第一衍射光栅部件30。准直光束被第一衍射光栅部件30衍射和反射，并且，在导光板21内经历全反射的同时向第二衍射光栅部件40行进。随后，准直光束进入第二衍射光栅部件40，然后，分别以-θ₀(＜0)的张角θ、0(°)张角θ、以及+θ₀(＞0)的张角θ进入眼睛50的中心。以入射角θ在导光板21上入射的每个准直光束以张角θ(＝入射角[-θ])从导光板21释放。在这种情况下，准直光束r₁、r₂、r₃穿过导光板21，同时，分别基于不同的全反射角度α₁、α₂、α₃、在不同的全反射点处、且以不同的次数经历全反射。准直光束经历离开导光板21的第一表面21A(即，与第二表面21B相对的表面)的全反射，然后，经历离开第二表面21B(即，在其上放置第一衍射光栅部件30和第二衍射光栅部件40的导光板21的表面)的全反射。在这种情况下，第二表面21B上的全反射点(与原点O的距离L)与全反射的次数之间的关系由以下表达式(1)表示：

L＝L_f-2×N×t×tan(α)...(1)

其中，L_f表示每个准直光束在第一衍射光栅部件30上的入射点(即，与原点O的距离)，t表示导光板21的厚度，并且，α表示准直光束的全反射角度。

相应地，对于具有不同的全反射角度α₁、α₂、以及α₃的准直光束r₁、r₂、r₃的关系表达式(1)分别由以下表达式(2-1)、(2-2)、以及(2-3)表示：

L_{e_1}＝L_{f_1}-2×N₁×t×tan(α₁)...(2-1)

L_{e_2}＝L_{f_2}-2×N₂×t×tan(α₂)...(2-2)

L_{e_3}＝L_{f_3}-2×N₃×t×tan(α₃)...(2-3)

其中，L_{f_1}、L_{f_2}和L_{f_3}表示对应的准直光束在第一衍射光栅部件30上的入射点(这些入射点为第一内反射点，并且对应于与原点O的距离)，L_{e_1}、L_{e_2}和L_{e_3}表示对应的准直光束在第二衍射光栅部件40上的入射点(这些入射点为最后的内反射点，并且对应于与原点O的距离)，并且，N₁、N₂和N₃各自表示全反射的次数。

从图1中可以清楚地看出，L_{e_1}、L_{e_2}和L_{e_3}中的每个都基于张角θ与眼睛间隙d之间的关系被唯一地确定，从而每个准直光束进入眼睛50的中心部分。另外，N₁、N₂和N₃为正整数。这些关系表达式依赖于各种条件，如导光板21的厚度t、接收准直光束的第一衍射光栅部件30的L₁与L₂之间的范围、以及分别根据张角θ和第一衍射光栅部件30中的干涉条纹31的间距而确定的全反射角度α₁、α₂和α₃。因此，优选地，以实际方式确定这些变量。

在下表1中示出的条件下，张角θ在-8°与+8°的范围之间按度数来计数。表2示出了第二衍射光栅部件40中的干涉条纹的倾斜分布的计算结果，其在每个张角θ上、在相同波长上满足布拉格(Bragg)条件。一般地，当准直光束按入射角度Ψ_IN进入衍射光栅部件、并且按出射角度Ψ_OUT衍射和反射时衍射效率最大的干涉条纹的倾斜角度可以由以下表达式(3)表示：

该表达式(3)可以基于布拉格条件导出。

在第一实施例中、或者在下述的第二到第五实施例中的每个中的第二衍射光栅部件40的干涉条纹根据表2所示的倾斜角度值而形成。详细地，第二衍射光栅部件40的干涉条纹局有朝向第一衍射光栅部件30变大的倾斜角度。这有利于进一步减小颜色与亮度的不均匀性。倾斜角度可以步进方式、或以连续方式增大。具体地，在倾斜角度以步进方式增大的情况下，如果第二衍射光栅部件40在离开第一衍射光栅部件30最远的位置和距离第一衍射光栅部件30最近的位置之间被划分为T个区段，则第二衍射光栅部件40的第t(t＝1，2，...，T)区段RG_{2_t}的倾斜角度可为固定的，并且，另外，第二衍射光栅部件40的区段RG_{2_t}的倾斜角度可以随着t值的增大而增大。另一方面，如果倾斜角度以连续方式增大，则干涉条纹的倾斜角度可以逐渐增大。

[表1]

导光板21的材料：	光学玻璃(具有折射率1.52的BK7)
导光板21的材料：	光学玻璃(具有折射率1.52的BK7)	导光板21的厚度：	2.0mm
入射波长λ：	522nm	导光板21的厚度：	2.0mm
入射波长λ：	522nm	第二衍射光栅部件40的干涉条纹的间距：	402.2nm
要以0°张角从导光板21释放的导光板21内光束的全反射角度：	58.8°	第二衍射光栅部件40的干涉条纹的间距：	402.2nm

从表2中可以清楚地看出，随着张角θ增大，第二衍射光栅部件40中的倾斜角度增大。换言之，张角θ的值越小，全反射角度α的值便越小，使得对应于此张角θ的准直光束在导光板21内经历全反射的次数N增加。相反，张角θ的值越大，全反射角度α便越大，使得对应于此张角θ的准直光束在导光板21内经历全反射的次数N减少。

图2A为显示在第一衍射光栅部件30中的哪一点处具有522nm的波长λ的准直光束在进入眼睛50的中心之前被衍射和反射、并且还显示准直光束在到达眼睛50之前经历离开导光板21的第二表面21B的全反射的次数的图。该图与以下实施例的等价图都根据表达式(1)求得。另外，这些图中每一个的纵轴都表示距离L，横轴表示张角θ。

在第一实施例中，导光板21的厚度t、眼睛间隙d、第一衍射光栅部件30中的干涉条纹的间距、张角θ₀、以及张角-θ₀如下表3所示而设置。

[表3]

导光板21的厚度t：	5mm
导光板21的厚度t：	5mm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30干涉条纹的间距：	402.2nm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30干涉条纹的间距：	402.2nm	张角θ<sub>0</sub>：	4.0°
张角-θ<sub>0</sub>	-4.0°	张角θ<sub>0</sub>：	4.0°

在图2A中，向上倾斜的实曲线[1]对应于全反射的次数N为3的情况，并且，向上倾斜的虚曲线[2]对应于全反射的次数N为4的情况。

图中沿横轴的负方向(对应于张角θ，也对应于入射角[-θ])为其中第一衍射光栅部件30的干涉条纹31的倾斜角度(其满足相同波长上的布拉格条件)相对变小的方向。相反，图中沿横轴的正方向(对应于张角θ，也对应于入射角[-θ])为其中第一衍射光栅部件30的干涉条纹31的倾斜角度(其满足相同波长上的布拉格条件)相对变大的方向。因此，图上显示的曲线从左向右增大这一事实意味着：第一衍射光栅部件30的干涉条纹31的倾斜角度

(其衍射和反射相同波长上的准直光束)随着张角θ沿正方向的改变而增大。另外，这还意味着：从原点O到被提供有这些倾斜角度的第一衍射光栅部件30的区域的距离逐渐增大。

更具体地，参照图2A，例如，对应于张角θ(＝入射角[-θ])为3°的准直光束在第一衍射光栅部件30的点A(L≈40mm)处进入第一衍射光栅部件30，并且，在第一衍射光栅部件30这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的三次全反射，然后进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。另外，对应于张角θ(＝入射角[-θ])为3°的准直光束还在点B(L≈60mm)处进入第一衍射光栅部件30，并且，在第一衍射光栅部件30的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的四次全反射，然后进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。因而，在第一衍射光栅部件30中，对于3°的张角θ(＝入射角[-θ])，点B(L≈60mm)区域内的干涉条纹31的倾斜角度可以被设置为30.4°。由此，准直光束在导光板21内经历全反射的次数根据准直光束组在导光板21上的入射角度而变化。

类似地，以下的表4显示出距离L、张角θ、以及倾斜角度

之间的关系。

[表4]

在图2A所示的例子中，基于虚线曲线[2](其中，全反射的次数N为4)而确定对应于张角θ的倾斜角度

在对应于距离L的第一衍射光栅部件30的区域中，提供具有所确定的倾斜角度

的干涉条纹31中的每个。图2B为第一衍射光栅部件30的示意剖面图，其中，这样的干涉条纹31的倾斜角度

根据距离L的增大而连续且单调地增大。

可替换地，倾斜角度可以步进方式改变。具体地，图2C为第一衍射光栅部件30的示意剖面图，其中，第一衍射光栅部件30在导光板21的轴向方向上被分为S个区段(S＝6)。在这种情况下，第一衍射光栅部件30的第s(s＝1、2、...、6)区段RG_{1_s}中的倾斜角度

可以是固定的，并且，当s值不同时，不同地设置第一衍射光栅部件30的区段RG_{1_s}中的倾斜角度

下面的表5显示出每个区段RG_{1_s}的距离L_{1_s}的范围、张角θ_{1_s}(＝入射角度[-θ]_{1_s})、与倾斜角度

之间的关系。

[表5]

当在第一衍射光栅部件30中的每个干涉条纹31与第一衍射光栅部件30的一个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度

时，在图2B所示的第一衍射光栅部件30的例子中，在外部区域RG_OUT(其位置比含有具有最小倾斜角度

(对应于张角θ＝入射角[-θ]＝-4.0°)的干涉条纹31的最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于点C，L＝40mm)更远离第二衍射光栅部件40)中提供的干涉条纹31具有随与最小倾斜角度区域RG_MIN的距离的增大而增大的倾斜角度在这种情况下，因为第一衍射光栅部件30不具有从最小倾斜角度区域RG_MIN向更靠近第二衍射光栅部件40而延伸的区域，所以，不用考虑上述条件(b)。

另外，对于由第二衍射光栅部件40衍射和反射、并且位于X-Y平面内的准直光束，当在第二衍射光栅部件40与最接近第一衍射光栅部件30的准直光束之间形成的角度被定义为张角θ＝θ₀(＞0)、并且第二衍射光栅部件40与最远离第一衍射光栅部件30的准直光束之间形成的角度被定义为张角θ＝-θ₀(＜0)时，第一衍射光栅部件30的区域(对应于点D，L＝65mm)(其中，衍射和反射对应于被给定张角θ＝θ₀的准直光束)含有具有最大倾斜角度(对应于张角θ＝入射角[-θ]＝4.0°)的干涉条纹，并且，第一衍射光栅部件30的区域(对应于点C，L＝40mm)(其中，衍射和反射对应于被给定张角θ＝-θ₀的准直光束)含有具有最小倾斜角度(对应于张角θ＝入射角[-θ]＝-4.0°)的干涉条纹。

第二实施例

第二实施例为第一实施例的修改。在第二实施例中，将第一实施例的表3中所示的各种参数改变为以下表6所示的参数。

[表6]

导光板21的厚度t：	6mm
导光板21的厚度t：	6mm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30的干涉条纹间距：	402.2nm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30的干涉条纹间距：	402.2nm	张角θ<sub>0</sub>：	3.5°
张角-θ<sub>0</sub>：	-3.5°	张角θ<sub>0</sub>：	3.5°

图3A为显示在第一衍射光栅部件30中的哪一点处具有522nm的波长λ的准直光束在进入眼睛50中心之前被衍射和反射、并且还显示准直光束在到达眼睛50之前经历离开导光板21的第二表面21B的全反射的次数的图。

在图3A中，向上倾斜的实曲线[1]对应于全反射的次数N为3的情况，并且，向上倾斜的虚曲线[2]对应于全反射的次数N为4的情况。如在第一实施例中所述，图上显示的曲线从左向右增大这一事实意味着：第一衍射光栅部件30的干涉条纹31(其衍射和反射相同波长上的准直光束)的倾斜角度

随张角θ沿正方向的改变而增大。另外，这还意味着：从原点O到被提供有这些倾斜角度的第一衍射光栅部件30的区域的距离逐渐增大。

例如，对应于0.2°到3.5°范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈40到50mm的区域内进入第一衍射光栅部件30，并且，在第一衍射光栅部件30的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的三次全反射，然后，进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。在这种情况下，第一衍射光栅部件30(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹31的倾斜角度

随张角θ沿正方向的改变而增大，并且，从原点O到被提供有这些倾斜角度的第一衍射光栅部件30的区域的距离逐渐增大。

另一方面，如果张角θ为0.2°或者更小，则对应于-3.5°到0.2°范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈49到60mm的区域内进入第一衍射光栅部件30，并且在第一衍射光栅部件30这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的四次全反射，然后进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。类似地，在这种情况下，第一衍射光栅部件30的干涉条纹31(其衍射和反射相同波长的准直光束)的倾斜角度

以下的表7显示出距离L、张角θ、以及倾斜角度

之间的关系。

[表7]

第一衍射光栅部件30中的L≈49mm的区域(其为对应于张角θ＝-θ₀＝3.5°的准直光束进入的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹31。在第一衍射光栅部件30的外部区域RG_OUT(即，至L＝60mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹31的最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈49mm)更远离第二衍射光栅部件40)中，干涉条纹31的倾斜角度

随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈49mm)的距离的增大而增大。

另一方面，在第一衍射光栅部件30的内部区域RG_IN(其位置比最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈49mm)更靠近第二衍射光栅部件40)中，干涉条纹31具有随着与最小倾斜角度区域RG_MIN的距离的增大而减小的倾斜角度

并且，在邻近最小倾斜角度区域RG_MIN放置的内部区域RG_IN-NEAR中包含具有最大倾斜角度

的干涉条纹31。

外部区域RG_OUT中的倾斜角度

可以随距离L的增大而连续且单调地增大，并且，内部区域RG_IN中的倾斜角度

可以类似地随着距离L的增大而连续且单调地增大。可替换地，如图3B中的第一衍射光栅部件30的示意剖面图所示，外部区域RG_OUT中的倾斜角度

可以随距离L的增大而以步进且单调的方式增大，并且，内部区域RG_IN中的倾斜角度

可以类似地随距离L的增大而以步进且单调的方式增大。换言之，可以将第一衍射光栅部件30沿导光板21的轴向方向分为S个区段(S＝6)。在这种情况下，第一衍射光栅部件30的第s(s＝1、2、...、6)区段RG_{1_s}中的倾斜角度

可以是固定的，并且，当s值不同时，可以不同地设置第一衍射光栅部件30的区段RG_{1_s}中的倾斜角度以下的表8显示出每个区段RG_{1_s}的距离L_{1_s}的范围、张角θ_{1_s}(＝入射角度[-θ]_{1_s})、以及倾斜角度之间的关系。

[表8]

在第二实施例中，对应于张角θ为0.15°或更小的准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的四次全反射，然而，对应于张角θ为0.15°或更大的准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的三次全反射。

第三实施例

第三实施例也为第一实施例的修改。在第三实施例中，将第一实施例的表3中所示的各种参数改变为以下表9所示的参数。

[表9]

导光板21的厚度t：	5mm
导光板21的厚度t：	5mm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30的干涉条纹的间距：	402.2nm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30的干涉条纹的间距：	402.2nm	张角θ<sub>0</sub>：	6.0°
张角-θ<sub>0</sub>：	-6.0°	张角θ<sub>0</sub>：	6.0°

在第三实施例中，第一衍射光栅部件30包含由Q层反射体积全息衍射光栅(在第三实施例中Q＝2)限定的衍射光栅层30A、30B。在第一衍射光栅部件30中包含的衍射光栅层30A、30B中的每个具有从衍射光栅层30A、30B内向其表面延伸的干涉条纹31。第一衍射光栅部件30衍射光栅层30A、30B中的每个的表面上的干涉条纹等间距排列。另外，衍射光栅层30A中的干涉条纹的间距与衍射光栅层30B中的干涉条纹的间距相同。

第一衍射光栅部件30的衍射光栅层30A、30B具有彼此不同的最小倾斜角度

和不同的最大倾斜角度

图4A为显示在第一衍射光栅部件30中的哪一点处具有522nm的波长λ的准直光束在进入眼睛50的中心之前被衍射和反射、并且还显示准直光束在到达眼睛50之前经历离开导光板21的第二表面21B的全反射的次数的图。

在图4A中，向上倾斜的实曲线[1]对应于全反射的次数N为3的情况，并且，向上倾斜的虚曲线[2]对应于全反射的次数N为4的情况。如在第一实施例中所述，图上显示的曲线从左向右增大这一事实意味着：第一衍射光栅部件30(其衍射和反射相同波长上的准直光束)的干涉条纹31的倾斜角度随张角θ沿正方向的改变而增大。另外，这还意味着：从原点O到被提供有这些倾斜角度的第一衍射光栅部件30的区域的距离逐渐增大。

例如，对应于1.3°到6.0°范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈36到51mm的区域内进入第二衍射光栅层30B，并且，在第二衍射光栅层30B的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的三次全反射，然后，进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。在这种情况下，第二衍射光栅层30B(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹31的倾斜角度

随张角θ沿正方向的改变而增大，并且，从原点O到被提供有这些倾斜角度的第二衍射光栅层30B的区域的距离逐渐增大。

另一方面，如果张角θ为1.3°或者更小，则对应于-6.0°到1.3°的范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈36mm到52mm的区域内进入第一衍射光栅层30A，并且，在第一衍射光栅层30A这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的四次全反射，然后，进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。类似地，在这种情况下，第一衍射光栅层30A(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹31的倾斜角度随张角θ沿正方向的改变而增大，并且，从原点O到被提供有这些倾斜角度的第一衍射光栅层30A区域的距离逐渐增大。

虽然存在对应于-6.0°到1.3°的范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束可能进入第二衍射光栅层30B的情况，但是，这样的准直光束很少被第二衍射光栅层30B衍射和反射，这是因为，在第二衍射光栅层30B内对这样的准直光束的衍射效率较低。同样地，存在对应于1.3°到6.0°的范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束可能进入第一衍射光栅层30A的情况。然而，因为第一衍射光栅层30A内对这样的准直光束的衍射效率较低，所以，这样的准直光束很少被第一衍射光栅层30A衍射和反射。

第一衍射光栅层30A中的L≈36mm的区域(其为对应于张角θ₁＝-θ_{1_0}＝-6.0°的准直光束被衍射和反射的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹。在第一衍射光栅层30A的外部区域RG_OUT(即，至L＝52mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹的最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈36mm)更远离第二衍射光栅部件40)中，干涉条纹的倾斜角度

随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈36mm)的距离的增大而增大。另外，第一衍射光栅层30A的区域(对应于L＝52mm的区域)(其中，对应于要给定张角θ₁＝-θ_{1_0}的准直光束被衍射和反射)含有具有最大倾斜角度

的干涉条纹。

另一方面，在第二衍射光栅层30B中的L≈36mm区域(其为衍射和反射对应于张角θ₂＝-θ_{2_0}＝1.3°的准直光束的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹。在第二衍射光栅层30B的外部区域RG_OUT(即，至L＝51mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度

随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈36mm)的距离的增大而增大。另外，第二衍射光栅层30B(对应于L＝51mm的区域)(其中对应于要给定张角θ₂＝-θ_{2_0}的准直光束被衍射和反射)含有具有最大倾斜角度

的干涉条纹。

在这种情况下，因为每个衍射光栅层不具有从最小倾斜角度区域RG_MIN向更靠近第二衍射光栅部件40而延伸的区域，所以，不用考虑上面在第一实施例中描述的条件(b)。

外部区域RG_OUT中的倾斜角度

可以随距离L的增大而连续且单调地增大。可替换地，如图4B中的第一衍射光栅部件30的示意剖面图所示，外部区域RG_OUT中的倾斜角度

可以随距离L的增大而以步进且单调的方式增大。换言之，可以将第一衍射光栅部件30沿导光板21的轴向方向分为S个区段(S＝6)。在这种情况下，第一衍射光栅层30A的第s(s＝1、2、...、6)区段RG_(q，s)[RG_(1，1)，RG_(1，2)，RG_(1，3)，RG_(1，4)，RG_(1，5)，RG_(1，6)]中的倾斜角度可以是固定的，并且，第二衍射光栅层30B的第s区段RG_(q，s)[RG_(2，1)，RG_(2，2)，RG_(2，3)，RG_(2，4)，RG_(2，5)，RG_(2，6)]中的倾斜角度可以是固定的。另外，当s值不同时，可以不同地设置衍射光栅层30A、30B的区段中的倾斜角度。另外，可以颠倒第一衍射光栅层30A与第二衍射光栅层30B的叠放次序。

以下的表10显示出每个区段RG_(q，s)的距离L_{1_s}的范围、张角θ_{1_s}(＝入射角度[-θ]_{1_s})、以及倾斜角度

之间的关系。

[表10]

全反射：3次

全反射：4次

在第三实施例中，给定第一衍射光栅部件30多层结构，从而可以沿导光板21的轴向方向减小第一衍射光栅部件30的长度、同时实现较大的张角。

第四实施例

第四实施例也为第一实施例的修改。在第四实施例中，将第一实施例的表3中所示的各种参数改变为以下的表11所示的参数。

[表11]

导光板21的厚度t：	2mm
导光板21的厚度t：	2mm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30的干涉条纹的间距：	402.2nm	眼睛间隙d：	20mm
第一衍射光栅部件30的干涉条纹的间距：	402.2nm	张角θ<sub>0</sub>：	8.0°
张角-θ<sub>0</sub>：	-8.0°	张角θ<sub>0</sub>：	8.0°

在第四实施例中，第一衍射光栅部件30包含由Q层反射体积全息衍射光栅(在第四实施例中Q＝4)限定的衍射光栅层30A、30B、30C、30D。在第一衍射光栅部件30中包含的衍射光栅层30A、30B、30C、30D中的每个具有从衍射光栅层30A、30B、30C、30D内向其表面延伸的干涉条纹。第一衍射光栅部件30的衍射光栅层30A、30B、30C、30D中的每个的表面上的干涉条纹等间距排列。另外，衍射光栅层30A、30B、30C、30D中的干涉条纹以相同间距排列。

第一衍射光栅部件30的衍射光栅层30A、30B、30C、30D、30C、30D具有彼此不同的最小倾斜角度

以及不同的最大倾斜角度

图5A为显示在第一衍射光栅部件30中的哪一点处具有522nm的波长λ的准直光束在进入眼睛50中心之前被衍射和反射、并且还显示准直光束在到达眼睛50之前经历离开导光板21的第二表面21B的全反射的次数的图。在在图5A和5B中，通过(q，s)来表示每个区段RG_(q，s)，以简化描绘。

在图5A中，向上倾斜的实曲线[1]对应于全反射的次数N为4的情况，向上倾斜的实曲线[2]对应于全反射的次数N为5的情况，向上倾斜的实曲线[3]对应于全反射的次数N为6的情况，并且，向上倾斜的虚曲线[4]对应于全反射的次数N为7的情况。图上显示的曲线从左向右增大这一事实具有与在第一实施例中所述相同的含义。

对应于3.9°到7.2°的范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈38到47mm的区域内进入第一衍射光栅部件30的第一衍射光栅层30A，并且，在第一衍射光栅层30A的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的四次全反射，然后，进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。在这种情况下，第一衍射光栅层30A(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹的倾斜角度

随张角θ沿正方向的改变而增大，并且，从原点O到被提供有这些倾斜角度的第一衍射光栅层30A的区域的距离逐渐增大。

另一方面，对应于-0.3°到3.9°范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈38到47mm的区域内进入第一衍射光栅部件30的第二衍射光栅层30B，并且，在第二衍射光栅层30B的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的五次全反射，然后进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。在这种情况下，第二衍射光栅层30B(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹的倾斜角度

另外，对应于-4.3°到-1.5°范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈38到41mm的区域内进入第一衍射光栅部件30的第三衍射光栅层30C，并且，在第三衍射光栅层30C的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的六次全反射，然后进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。类似地，在这种情况下，第三衍射光栅层30C(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹的倾斜角度随张角θ沿正方向的改变而增大，并且，从原点O到被提供有这些倾斜角度的第三衍射光栅层30C的区域的距离逐渐增大。

另外，对应于-8.0°到-5.6°范围内的张角θ(＝入射角[-θ])的准直光束在L≈38到40mm的区域内进入第一衍射光栅部件30的第四衍射光栅层30D，并且，在第四衍射光栅层30D的这一区域内被衍射和反射。该准直光束经历离开导光板21的第二表面21B的七次全反射，然后，进入第二衍射光栅部件40，其中光束被衍射和反射。随后，光束从导光板21被释放，并且被导向眼睛50。类似地，在这种情况下，第四衍射光栅层30D(其衍射和反射相同波长的准直光束)的干涉条纹的倾斜角度

随张角θ沿正方向的改变而增大，并且，从原点O到被提供有这些倾斜角度的第四衍射光栅层30D的区域的距离逐渐增大。

存在在一个衍射光栅层上入射的准直光束可能进入其余三个衍射光栅层中的至少一个的情况。然而，因为其余三个衍射光栅层中对这样的准直光束的衍射效率不高，所以，这样的准直光束很少被其余三个衍射光栅层衍射和反射。

第一衍射光栅层30A中的L≈35mm的区域(其为对应于张角θ₁＝-θ_{1_0}＝-3.9°的准直光束被衍射和反射的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹。在第一衍射光栅层30A的外部区域RG_OUT(即，至L＝47mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度的干涉条纹的最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)更远离第二衍射光栅部件40)中，干涉条纹的倾斜角度

随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)的距离的增大而增大。另外，第一衍射光栅层30A的区域(对应于L＝47mm的区域)(其中对应于要给定张角θ₁＝-θ_{1_0}的准直光束被衍射和反射)含有具有最大倾斜角度

的干涉条纹。

另一方面，在第二衍射光栅层30B中的L≈35mm区域(其为衍射和反射对应于张角θ₂＝-θ_{2_0}＝-0.3°的准直光束的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹。在第二衍射光栅层30B的外部区域RG_OUT(即，至L＝47mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹的最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)更远离第二衍射光栅部件40)中，干涉条纹的倾斜角度

随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)的距离的增大而增大。另外，第二衍射光栅层30B(对应于L＝47mm的区域)(其中对应于要给定张角θ₂＝-θ_{2_0}的准直光束被衍射和反射)含有具有最大倾斜角度

的干涉条纹。

另外，在第三衍射光栅层30C中的L≈35mm区域(其为衍射和反射对应于张角θ₃＝-θ_{3_0}＝-4.3°的准直光束的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹。在第三衍射光栅层30C的外部区域RG_OUT(即，至L＝41mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度

随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)的距离的增大而增大。另外，第三衍射光栅层30C(对应于L＝41mm的区域)(其中对应于要给定张角θ₃＝-θ_{3_0}的准直光束被衍射和反射)含有具有最大倾斜角度

的干涉条纹。

另外，在第四衍射光栅层30D中的L≈35mm区域(其为衍射和反射对应于张角θ₄＝-θ_{4_0}＝-8.0°的准直光束的位置)含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹。在第四衍射光栅层30D的外部区域RG_OUT(即，至L＝40mm的区域)(其位置比含有具有最小倾斜角度

的干涉条纹的最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)更远离第二衍射光栅部件40)中，干涉条纹的倾斜角度随与最小倾斜角度区域RG_MIN(对应于L≈35mm)的距离的增大而增大。另外，第四衍射光栅层30D(对应于L＝40mm的区域)(其中对应于要给定张角θ₄＝-θ_{4_0}的准直光束被衍射和反射)含有具有最大倾斜角度

的干涉条纹。

在这种情况下，因为每个衍射光栅层不具有从最小倾斜角度区域RG_MIN向更靠近第二衍射光栅部件40而延伸的区域，所以，不用考虑第一实施例中所述的条件(b)。

外部区域RG_OUT中的倾斜角度可以随距离L的增大而连续且单调地增大。可替换地，如图5B中的第一衍射光栅部件30的示意剖面图所示，外部区域RG_OUT中的倾斜角度可以随距离L的增大而以步进且单调的方式增大。换言之，可以将第一衍射光栅部件30在导光板21的轴向方向上分为S个区段(S＝6)。在这种情况下，衍射光栅层30A、30B、30C、30D中的每个的第s(s＝1、2、...、6)区段中的倾斜角度可以是固定的，并且，当s值不同时，可以不同地设置衍射光栅层30A、30B、30C、30D中的每个的区段中的倾斜角度。另外，第一衍射光栅层30A、第二衍射光栅层30B、第三衍射光栅层30C、以及第四衍射光栅层30D的叠放次序实际上是灵活的。

以下的表12显示出每个区段RG_(q，s)的距离L_{1_s}的范围、张角θ_{1_s}(＝入射角度[-θ]_{1_s})、以及倾斜角度

之间的关系。

[表12]

全反射：4次

全反射：5次

全反射：6次

全反射：7次

在第四实施例中，对第一衍射光栅部件30给定具有比第三实施例中还要多的层数的多层结构。由此，可以在导光板21的轴向方向上进一步减小第一衍射光栅部件30的长度、同时实现较大的张角。另外，可以减小导光板21的厚度，由此，有利于光学器件20以及图像显示设备10的进一步的尺寸减小。

参照图5A，在对应于张角范围A的第一衍射光栅部件30的区域中，不存在倾斜角度可以所希望的布拉格条件衍射光束的干涉条纹。即使在这种情况下，如图6所示，如果对应于靠近每一个张角范围A的张角的第一衍射光栅部件的区域中的干涉条纹具有对于衍射和反射对应于张角范围A的准直光束来说的足够的衍射效率，则尤其没有问题。换言之，如果衍射效率的角度特性的半值h大到足以能够衍射和反射具有对应于张角范围A的入射角度的准直光束的程度，则尤其没有问题。

图7A为显示在第一衍射光栅部件30中的哪一点处具有522nm的波长λ的准直光束在进入眼睛50中心之前被衍射和反射、并且还显示准直光束在到达眼睛50之前经历离开导光板21的第二表面21B的全反射的次数的图。如该图所示，第一衍射光栅部件30可以具有对应于张角范围B的两个区域。这进一步确保了第一衍射光栅部件30对准直光束的衍射和反射。图7B为第一衍射光栅部件30的示意剖面图。在图7A与7B中，每个区域RG_(q，s)由(q，s)指示，以简化描绘。以下的表13显示每个区段RG_(q，s)的距离L_{1_s}的范围、张角θ_{1_s}(＝入射角度[-θ]_{1_s})、以及倾斜角度之间的关系。在这种情况下，在第一衍射光栅部件30中包括的Q个衍射光栅层中，将所述衍射光栅层中的至少一层中的最小倾斜角度设置为另一衍射光栅层中的最小倾斜角度与最大倾斜角度之间的值。或者，将所述衍射光栅层中的至少一层中的最大倾斜角度设置为另一衍射光栅层中的最小倾斜角度与最大倾斜角度之间的值。

[表13]

全反射：4次

全反射：5次

全反射：6次

全反射：7次

第五实施例

现在描述根据本发明的第五实施例的光学器件与图像显示设备。根据第五实施例的光学器件与图像显示设备具有与图1所示基本相同的结构。

图8A为包含于根据第五实施例的光学器件中的第一衍射光栅部件130的示意剖面图。

与第一实施例类似，根据第五实施例的光学器件包括：导光板21、第一衍射光栅部件130、以及第二衍射光栅部件40。具体地，包含沿不同方向行进的多个准直光束的准直光束组进入导光板21，在其中经历全反射的同时穿过导光板21，并且，从导光板21出射。第一衍射光栅部件130包括反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在导光板21上入射的准直光束组，从而允许准直光束组在导光板21内经历全反射。第二衍射光栅部件40包括反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在其中经历全反射的同时穿过导光板21的准直光束组，并且直接从导光板21发射准直光束组。

图8B为显示其中第一衍射光栅部件130包含假想衍射光栅层230A、230B(其由Q层反射体积全息衍射光栅限定(在第五实施例中Q＝2))的假想例子的示意剖面图。在这种情况下，假想衍射光栅层230A、230B中的每个在其表面上具有以等间距排列的干涉条纹。另外，假想衍射光栅层230A中的干涉条纹的间距与假想衍射光栅层230B中的干涉条纹的间距相同。这两个假想衍射光栅层230A、230B等效于图4B所示的第三实施例中的衍射光栅层30A、30B，并且，另外，假想衍射光栅层230A、230B的特性也等效于图4B所示的衍射光栅层30A、30B的特性。因此，关于假想衍射光栅层230A、230B，请参见以上第三实施例中的描述。

另外，当在每个假想衍射光栅层230A、230B中的每个干涉条纹与假想衍射光栅层230A、230B中的每个的一个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度

时，每个假想衍射光栅层230A、230B可以具有以下情形：

(a)每个假想衍射光栅层具有：最小倾斜角度区域，其含有具有最小倾斜角度的干涉条纹；以及外部区域，其位置比最小倾斜角度区域更远离第二衍射光栅部件，并且，外部区域中的干涉条纹的倾斜角度随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而增大，以及

(b)每个假想衍射光栅层具有内部区域，其位置比最小倾斜角度区域更靠近第二衍射光栅部件，并且，内部区域中的干涉条纹的倾斜角度包括邻近最小倾斜角度区域放置的内部区域中的最大倾斜角度，并且随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而减小。

如果将第一衍射光栅部件130从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R段(在第五实施例中R＝6)，则第一衍射光栅部件130的第r(r＝1，2...，R)段RG_{1_R}具有包含Q个假想衍射光栅层的对应段VG_(r，q)的多层结构，其中，当将每个假想衍射光栅层从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R段时，获得段VG_(r，q)(在这种情况下，q为从1到Q的范围中选择的非冗余任意整数)。

详细地，参照图8A，在第一衍射光栅部件130的第一衍射光栅层130A和第二衍射光栅层130B中包括的段按以下的表14所示的顺序从更靠近第二衍射光栅部件的一侧起排列。在表14中，在上部写入的衍射光栅层的各段的位置更靠近第二衍射光栅部件40。

[表14]

第一衍射光栅层130A	第二衍射光栅层130B
第一衍射光栅层130A	第二衍射光栅层130B	段VG<sub>(1，2)</sub>	段VG<sub>(1，1)</sub>
段VG<sub>(2，1)</sub>	段VG<sub>(2，2)</sub>	段VG<sub>(1，2)</sub>	段VG<sub>(1，1)</sub>
段VG<sub>(2，1)</sub>	段VG<sub>(2，2)</sub>	段VG<sub>(3，2)</sub>	段VG<sub>(3，1)</sub>
段VG<sub>(4，2)</sub>	段VG<sub>(4，1)</sub>	段VG<sub>(3，2)</sub>	段VG<sub>(3，1)</sub>
段VG<sub>(4，2)</sub>	段VG<sub>(4，1)</sub>	段VG<sub>(5，1)</sub>	段VG<sub>(5，2)</sub>
段VG<sub>(6，2)</sub>	段VG<sub>(6，1)</sub>	段VG<sub>(5，1)</sub>	段VG<sub>(5，2)</sub>

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)的特性可以与第三实施例中的第一衍射光栅层30A的区段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)的特性可以与第三实施例中的第二衍射光栅层30B的区段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。

图9示意性地显示出在具有图8A所示多层结构的第一衍射光栅部件130上入射的准直光束的情形。未显示导光板21，以便简化描绘。从成像器件11的对应像素位置发射的光束组由准直器光学单元12准直，并且被转换为沿不同方向行进的准直光束的光束组。随后，准直光束穿过未显示的导光板21，以进入图8A所示的第一衍射光栅部件130。在这种情况下，在段VG_(1，2)上入射的准直光束r₁不经历离开段VG_(1，2)的衍射和反射，而是进入段VG_(1，1)，其中准直光束r₁被衍射和反射。

换言之，因为准直光束r₁具有沿最正方向的入射角度(即，最负方向上的张角-θ₀)，所以，根据预定的布拉格条件，准直光束r₁由段VG_(1，1)衍射和反射，并且在其中反复经历全反射的同时穿过导光板21。另一方面，准直光束r₁很少由段VG_(1，2)衍射和反射。具体地，如图10所示，这是由于以下事实而造成的，该事实即：每个段VG_(r，q)中的衍射效率的角度特性没有大到足以覆盖叠放在相同位置上的其它段VG_(r，d′)中的衍射效率的角度特性。

另外，因为叠放的衍射光栅层130A、130B具有极小的厚度，例如20μm，所以，衍射光栅层具有与第三实施例中所述的基本相同的特性，并且，防止了准直光束r₁和准直光束r₇的全反射位置的错位。可以颠倒第一衍射光栅层130A和第二衍射光栅层130B的叠放次序。

将第二衍射光栅部件40的中心定义为原点O。将延伸通过原点O的第二衍射光栅部件40的法线定义为X轴。将延伸通过原点O的导光板21的轴线定义为Y轴。在假设由第q假想衍射光栅层(其中q为从1到Q中选择的整数)、随后由第二衍射光栅部件40衍射和反射的、并且位于X-Y平面内的假设的准直光束中，由X轴上的用于观察对应于由第二衍射光栅部件40衍射和反射、并且从导光板21释放的准直光束组的图像的观察点(眼睛50)和位置最靠近第一衍射光栅部件130的假设的准直光束之一形成的角度被定义为θ_q＝θ_{q_0}(＞0)。由观察点(眼睛50)和位置最远离第一衍射光栅部件130的假设的准直光束之一形成的角度被定义办θ_q＝-θ_{q_0}(＜0)。在这些条件下，衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝θ_{q_0}的假设准直光束的假设的准直光束的第q假想衍射光栅层的区域具有最大倾斜角度，并且，衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝-θ_{q_0}的假设准直光束的假设的准直光束的第q假想衍射光栅层的区域具有最小倾斜角度。

本发明不限于上述优选实施例。例如，在第一到第四实施例中，第一衍射光栅部件30可以配备P种干涉条纹，从而设置对要形成准直光束、并具有不同波长范围(或者波长)的P种光束的衍射和反射的基本相同的角度。类似地，在第五实施例中，每个假想衍射干涉层可以配备P种干涉条纹，从而设置对要形成准直光束、并且具有不同波长范围(或者波长)的P种光束的衍射和反射的基本相同的角度。

在第五实施例中，包含在第一衍射光栅部件中的衍射光栅层的区段(区域)以及假想衍射光栅层的段以一一对应的方式相互对应。作为对此类一一对应结构的替换方案，图8C与8D为分别显示出第一衍射光栅部件的修改例子、以及假想衍射光栅层多层结构的修改例子的示意性剖面图。

本领域的技术人员应该理解：在所附权利要求及其等价物的范围内，根据设计要求以及其他因素，可以出现各种修改、组合、子组合与替换。

Claims

1.一种光学器件，包含：

导光板，其接收包含沿不同方向行进的多个准直光束的准直光束组，该准直光束组穿过导光板，同时在其中经历全反射，然后从导光板出射；

第一衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在导光板上入射的准直光束组，从而允许准直光束组在导光板内经历全反射；以及

第二衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射透射导光板的准直光束组，并且直接从导光板发射该准直光束组，

其中第一衍射光栅部件被提供有从第一衍射光栅部件内向其表面延伸的干涉条纹，第一衍射光栅部件表面上的干涉条纹以等间距排列，

其中当在第一衍射光栅部件中的每个干涉条纹与第一衍射光栅部件的每个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度时，第一衍射光栅部件具有以下情形，

2.如权利要求1所述的光学器件，其中第一衍射光栅部件中的干涉条纹包含P种干涉条纹，从而设置对具有不同波长范围、且限定准直光束的P种光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P为整数。

3.如权利要求1所述的光学器件，其中当将第二衍射光栅部件的中心定义为原点时，当将延伸通过原点的第二衍射光栅部件的法线定义为X轴时，当将延伸通过原点的导光板的轴线定义为Y轴时，当将由用于观察对应于由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且从导光板释放的准直光束组的图像的X轴上的观察点与位置最靠近第一衍射光栅部件的准直光束之一形成的角度定义为张角θ＝θ₀时，以及当将观察点与位置最远离第一衍射光栅部件的另一准直光束形成的角度定义为张角θ＝-θ₀时，其中准直光束由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且位于X-Y平面内，在提供具有最大倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第一衍射光栅部件衍射和反射对应于要给定张角θ＝θ₀的准直光束的准直光束，并且，在提供具有最小倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第一衍射光栅部件衍射和反射对应于要给定张角θ＝-θ₀的准直光束的准直光束。

4.如权利要求1所述的光学器件，其中第一衍射光栅部件包含由Q层反射体积全息衍射光栅限定的衍射光栅层，其中Q为整数，

其中在第一衍射光栅部件的每个衍射光栅层中提供干涉条纹，并且该干涉条纹从每个衍射光栅层内向其表面延伸，并且

其中每个衍射光栅层上的干涉条纹等间距排列，并且以相同间距排列各衍射光栅层中的干涉条纹。

5.如权利要求4所述的光学器件，其中第一衍射光栅部件中的衍射光栅层具有彼此不同的最小倾斜角度与不同的最大倾斜角度。

6.如权利要求4所述的光学器件，其中将第一衍射光栅部件的衍射光栅层中的至少一层中的最小倾斜角度设置为另一衍射光栅层中的最小倾斜角度与最大倾斜角度之间的值，或者，将衍射光栅层的所述至少一层中的最大倾斜角度设置为所述另一衍射光栅层中的最小倾斜角度与最大倾斜角度之间的值。

7.如权利要求4所述的光学器件，其中当将第二衍射光栅部件的中心定义为原点时，当将延伸通过原点的第二衍射光栅部件的法线定义为X轴时，当将延伸通过原点的导光板的轴线定义为Y轴时，当将由用于观察对应于由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且从导光板释放的准直光束组的图像的X轴上的观察点与位置最靠近第一衍射光栅部件的准直光束之一形成的角度定义为张角θ_q＝θ_{q_0}时，以及当将观察点与位置最远离第一衍射光栅部件的另一准直光束形成的角度定义为张角θ_q＝-θ_{q_0}时，其中准直光束由第q衍射光栅层、随后由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且位于X-Y平面内，其中q为从中1到Q中选择的整数，在提供具有最大倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝θ_{q_0}的准直光束的准直光束，并且在提供具有最小倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝-θ_{q_0}的准直光束的准直光束。

8.如权利要求1所述的光学器件，其中准直光束组在导光板内经历全反射的次数根据准直光束组在导光板上的入射角度而变化。

9.一种光学器件，包含：

第一衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射在导光板上入射的准直光束组，从而允许准直光束组在导光板中经历全反射；以及

第二衍射光栅部件，其包含反射体积全息衍射光栅，该反射体积全息衍射光栅衍射和反射透射通过导光板的准直光束组，并且直接从导光板发射该准直光束组，

其中当第一衍射光栅部件假设包含由Q层反射体积全息衍射光栅形成的假想衍射光栅层时，每个假想衍射光栅层在其表面上具有以等间距排列的干涉条纹，各假想衍射光栅层中的干涉条纹以相同间距排列，其中Q为整数，

其中当将在每个假想衍射光栅层中的每个干涉条纹与假想衍射光栅层的每个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度时，每个假想衍射光栅层具有以下情形，

(b)每个假想衍射光栅层具有内部区域，其位置比最小倾斜角度区域更靠近第二衍射光栅部件，并且内部区域中的干涉条纹的倾斜角度包括邻近最小倾斜角度区域放置的内部区域中的最大倾斜角度，并且随着与最小倾斜角度区域的距离的增大而减小，

其中如果将第一衍射光栅部件从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R个段，其中R为整数，则第一衍射光栅部件的第r段RG_{1_r}具有包含Q个假想衍射光栅层的对应段VG_(r，q)的多层结构，当将每个假想衍射光栅层从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R个段时，获得段VG_(r，q)，其中q为从1到Q的范围中选择的非冗余任意整数。

10.如权利要求9所述的光学器件，其中每个假想衍射光栅层中的干涉条纹包含P种干涉条纹，以便设置对具有不同波长范围、且限定准直光束的P种光束的衍射和反射的基本相同的角度，其中P为整数。

11.如权利要求9所述的光学器件，其中当将第二衍射光栅部件的中心定义为原点时，当将延伸通过原点的第二衍射光栅部件的法线定义为X轴时，当将延伸通过原点的导光板的轴线定义为Y轴时，当将由用于观察对应于由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且从导光板释放的准直光束组的图像的X轴上的观察点与位置最靠近第一衍射光栅部件的假设的准直光束之一形成的角度定义为张角θ_q＝θ_{q_0}时，以及当将观察点与位置最远离第一衍射光栅部件的另一假设的准直光束形成的角度定义为张角θ_q＝-θ_{q_0}时，其中假设的准直光束假定由第q衍射光栅层、随后由第二衍射光栅部件衍射和反射、并且位于X-Y平面内，其中q为从中1到Q中选择的整数，在提供具有最大倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝θ_{q_0}的假设的准直光束的假设的准直光束，并且在提供具有最小倾斜角度的干涉条纹的位置上，由第q衍射光栅层衍射和反射对应于要给定张角θ_q＝-θ_{q_0}的假设的准直光束的假设的准直光束。

12.如权利要求9所述的光学器件，其中准直光束组在导光板内经历全反射的次数根据准直光束组在导光板上的入射角度而变化。

13.一种图像显示设备，包含：

成像器件；

准直器光学单元，其被配置来准直从成像器件发射的光束；以及

光学器件，其接收由准直器光学单元沿不同方向准直并且定向的准直光束，然后引导并发射准直光束，

其中，该光学器件包括：

导光板，其接收由沿不同方向定向的准直光束限定的准直光束组，该准直光束组穿过导光板，同时在其中经历全反射，然后从导光板出射；

其中当在第一衍射光栅部件中每个干涉条纹与第一衍射光栅部件的每个表面之间形成的角度被定义为倾斜角度时，第一衍射光栅部件具有以下情形，

14.一种图像显示设备，包含：

成像器件；

光学器件，其接收由准直器光学单元沿不同方向准直并且定向的准直光束，然后引导并且发射准直光束，

其中该光学器件包括：

导光板，其接收由沿不同方向定向的准直光束形成的准直光束组，该准直光束组穿过导光板，同时在其中经历全反射，然后从导光板出射；

其中当第一衍射光栅部件假设包含由Q层反射体积全息衍射光栅形成的假想衍射光栅层时，每个假想衍射光栅层在其表面上具有以等间距排列的干涉条纹，假想衍射光栅层中的干涉条纹以相同间距排列，其中Q为整数，

其中，如果将第一衍射光栅部件从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R个段，其中R为整数，则第一衍射光栅部件的第r段RG_{1_r}具有包含Q个假想衍射光栅层的对应段VG_(r，q)的多层结构，当将每个假想衍射光栅层从其最靠近第二衍射光栅部件的区段到最远离第二衍射光栅部件的区段分为R个段时，获得段VG_(r，q)，其中q为从1到Q的范围中选择的非冗余任意整数。