CN1675577A - 图像合成器和图像显示装置 - Google Patents

Abstract

使用中把一个由光学材料构成并对应于眼镜片的板式部分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致使来自图像显示元件2的光叠加到透射过板式部分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，并且将该光束导向眼睛。来自图像显示元件2的光在板式部分5内部被反射式HOE6衍射和反射之后到达用户的眼睛。HOE6具有依赖于其在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用。播放期间(用于在制作该HOE时对HOE6曝光的两个光源中)观察者眼睛一侧上的光源到HOE6之间的距离Rd充分大于图像合成器1的出射光瞳P和HOE6之间的距离Pd(空气中算得)。通过利用这种结构，可以简化用于曝光全息图的曝光光学系统。

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、日本专利申请公开JP2001-264682和日本专利申请公开JP2000-121989中揭示的图像显示装置已知的是所谓的透明式头戴图像显示装置(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戴图像显示装置，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(在本说明书中的某些情况下全息光学元件可以简称为“HOE”)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被反射式全息光学元件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、日本专利申请公开JP2001-264682的第37段和日本专利申请公开JP2000-121989中的第27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一个使得制造中的曝光光束与使用中的观察光束基本上重合的位置，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、日本专利申请公开JP2001-264682的第37段和日本专利申请公开JP2000-121989中的第27段)。

通过使两束相干光干涉并在乳胶等上记录干涉条纹制造反射式全息光学元件。另外，当使播放照明光以同样的波长从两束光中一束的光源位置入射时，有这样的衍射效果，例如衍射光栅在记录的干涉条纹中的衍射效果，以至于产生相当于其它入射光的波前。

具体地说，当记录干涉条纹时，其中曝光时在一束光中产生有一个自由曲面的波前，在另一束光中形成纯球面波等，可以由简单的照明产生具有自由复曲面的波前。

因而反射式全息光学元件被赋予具有这种自由曲面的相位变换作用；因此，尤其是如果把被赋予依赖于在全息图表面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用的反射式全息光学元件用在图像合成器中，则可以获得各类像差得到良好校正的优质图像，即使其它表面都构造成平面或球面等也是如此。用在上述各个专利公开中所述图像合成器的反射式全息光学元件具有依赖于在全息图表面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用。

当制造反射式全息光学元件时，实际上需要制作等同于设计时定义的相位变换作用的波前。

可用于此的方法包括利用计算机产生全息图(CGH)制作波前的方法以及利用非球面透镜的方法。但是，利用CGH的方法(与其它方法相比)有下列缺点：即，非球面相位项的阶数受量化误差影响的限制。同时，利用非球面透镜的方法(与其它方法相比)有下列缺点：即，即使设计简单，在实际制作中也需要对精度有所折中。因此，利用多个球面透镜的设计是目前比较实际的。

图21表示日本专利申请公开JP2000-121989中描述的一种全息曝光光学系统。构成该曝光光学系统的主曝光透镜由五个球面透镜构成，并具有带四个轴的极复杂的配置。另外，图21中第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的位置基本上与图像合成器出射光瞳的位置重合。

在如上所述的传统图像显示装置中，如同从图21中所见，在对全息图曝光时需要产生一种利用极复杂的偏心透镜的非球面波。在该传统的图像显示装置中，虽然可以说对全息图曝光时采用容易获得所需精度的球面透镜，但所需的部件数量很多；因此，各个部件的容限极为严格，并且因为轴向偏心很大(四个轴)，所以光学调节很难。因此，必须通过支撑透镜的配件的精度等唯一地限定容限。因此难以制作，并且也不得不在成品的精度方面有所折中。

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图像合成器和利用该图像合成器的图像显示装置，它使得能够简化用于曝光全息图的曝光光学系统，并能够利用反射式全息光学元件减小曝光光学系统的尺寸和重量，并因此使得系统易于制造，能够获得理想的光学特性和具有良好精度。

作为本发明者的研究结果，可以断定用于制作上述传统图像显示装置中反射式全息光学元件的曝光光学系统极为复杂的原因如下：即，由于定义反射式全息光学元件的参考光源(播放期间观察者眼睛一侧上的光源)的位置基本上与图像合成器出射光瞳的位置重合，该参考光源位于接近反射式全息光学元件的位置。另外，还可以断定，用于制作反射式全息光学元件的曝光光学系统变得比较简单，因为定义反射式全息光学元件的参考光源设置在位于远离反射式全息光学元件的位置。这一点将在涉及工作结构的部分详细描述。

因此，当Rd为定义反射式全息光学元件的参考光源与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)，并且Pd为图像合成器的出射光瞳与全息平面之间的距离(空气中算出的距离)时，如果距离Rd设置为基本上大于距离Pd的值，即，如果定义反射式全息光学元件的参考光源的位置设置在比图像合成器出射光瞳位置远的位置，则用于制作反射式全息光学元件的曝光光学系统变得比上述传统图像显示装置简单；因此易于制作，并且可以以良好的精度获得理想的光学特性，如各种像差得到校正的高性能图像聚焦作用。具体地说，为了更进一步简化曝光光学系统，希望距离Rd是距离Pd的两倍或更大。另外，为了更进一步简化曝光光学系统，希望距离Rd为100mm或更大。

为了解决上述问题，本发明以本发明者获得的这种研究成果为知识背景。

具体地说，构成第一发明的图像合成器是这样一种图像合成器，即，其中安装了反射式全息光学元件，来自图像显示部件的光与穿过主体的光叠加，该图像合成器的特征在于反射式全息光学元件具有依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用，并且距离Rd基本上大于距离Pd，其中Rd为播放期间(制作该元件期间用于曝光反射式全息光学元件的两个光源中)位于观察者眼睛一侧上的光源与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)，Pd为图像合成器的出射光瞳与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)。

构成第二发明的图像合成器基于第一发明，其特征在于距离Rd是距离Pd的两倍或更大。

构成第三发明的图像合成器基于第一发明或第二发明，其特征在于距离Rd为100mm或更大。

构成第四发明的图像显示装置包括第一至第三发明中任意所述的图像合成器，其特征在于使用中用户身上安装至少包含图像合成器的部分。

构成第五发明的图像显示装置是这样一种图像显示装置，即包括图像显示部件和光传导部分的图像显示装置，其中光传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传导部分具有反射式全息光学元件，该反射式全息光学元件具有依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用，并且距离Rd基本上大于距离Pd，其中Rd为播放期间(制作该元件期间用于曝光反射式全息光学元件的两个光源中)位于观察者眼睛一侧上的光源与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)，Pd为图像合成器的出射光瞳与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)。

构成第六发明的图像显示装置基于第五发明，其特征在于距离Rd是距离Pd的两倍或更大。

构成第七发明的图像显示装置基于第五发明或第六发明，其特征在于距离Rd为100mm或更大。

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系统简图；

图3是基于构成本发明第一工作结构的第一具体实例的图像显示装置设计值的横向像差简图，(a)表示视角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示视角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示视角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示视角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示视角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。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521.36nm的光线，虚线表示波长为531.36nm的光线，点划线表示波长为511.36nm的光线；

图4是表示用于对构成本发明第一工作结构的第一具体实例的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图5是图4中所示光学系统中的棱镜的放大简图；

图6是表示利用图4所示光学系统的全息曝光设备的一个实例的示意性结构简图；

图7是图4中所示光学系统的剩余波前像差简图；

图8是构成本发明第一工作结构的第一具体实例的图像显示装置的横向像差简图，该图像显示装置结合了利用图4所示光学系统曝光的反射式全息光学元件。(a)表示视角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示视角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示视角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示视角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示视角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。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521.36nm的光线，虚线表示波长为531.36nm的光线，点划线表示波长为511.36nm的光线。关于垂直轴，如图3所示，轴的上端为0.0250，下端为-0.250；

图9是表示对于构成本发明第一工作结构的第一具体实例的图像显示装置，原始设计值情形中的畸变与结合了利用图4中所示光学系统曝光的反射式全息光学元件的情形之间的比较。虚线表示像元的大小，连结黑圆圈的线条表示播放系统的设计值，连结白方块的线条表示曝光之后利用HOE的播放系统的值；

图10是表示用于对构成本发明第一工作结构的第二具体实例的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图11是表示用于对构成本发明第一工作结构的第三具体实例的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图12是表示用于对构成本发明第一工作结构的第四具体实例的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图13是表示用于对构成本发明第一工作结构的第五具体实例的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图14是表示用于对构成本发明第一工作结构的第六具体实例的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图15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，且示意性表示该图像显示装置中的光线路径；

图16是基于构成本发明第二工作结构的图像显示装置设计值的横向像差简图，(a)表示视角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示视角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示视角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示视角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示视角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。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461.259nm的光线，虚线表示波长为471.259nm的光线，点划线表示波长为451.259nm的光线；关于垂直轴，如图3所示，轴的上端为0.0250，下端为-0.250；

图17是表示用于对构成本发明第二工作结构的图像显示装置中的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的实质部分的光路简图；

图18是图17中所示光学系统的剩余波前像差简图；

图19是构成本发明第二工作结构的图像显示装置的横向像差简图，该图像显示装置结合了利用图17所示光学系统曝光的反射式全息光学元件。(a)表示视角(X，Y)＝(-6.66°，5.00°)的情形，(b)表示视角(X，Y)＝(-3.33°，2.50°)的情形，(c)表示视角(X，Y)＝(0.00°，0.00°)的情形，(d)表示视角(X，Y)＝(3.33°，-2.50°)的情形，和(e)表示视角(X，Y)＝(6.66°，-5.00°)的情形。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461.259nm的光线，虚线表示波长为471.259nm的光线，点划线表示波长为451.259nm的光线。关于垂直轴，如图3所示，轴的上端为0.0250，下端为-0.250；

图20是表示对于构成本发明第二工作结构的图像显示装置，原始设计值情形中的畸变与结合了利用图17中所示光学系统曝光的反射式全息光学元件的情形之间的比较。虚线表示像元的大小，连结黑圆圈的线条表示播放系统的设计值，连结白方块的线条表示曝光之后利用HOE的播放系统的值；

图21是表示用于对传统图像显示装置的反射式全息光学元件曝光的曝光光学系统的简图。

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中纸平面中的垂直方向取作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，系统为右手系统，即图1中从纸平面向内的方向取作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15也相同。

本工作结构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。用从LED3和反射镜4如抛物面镜组成的光源发出的光源光对图像显示元件2照明。对光源光进行空间光调制，并且透射表示显示图像的光。另外，无庸赘述，也可以利用其它一些元件如反射式LCD或使用自发光型元件例如有机电致发光元件作为图像显示元件2。

图像合成器1包括以平行平面板形式由光学材料如玻璃或塑料构成的板式部分5、和由光学材料如玻璃或塑料构成的光导部分11，光导部分11把来自图像显示元件2的光导向板式部分5。板式部分5不限于平行平面板；例如，该部分可以具有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，板式部分5还在图1中向下延伸；但图中被省去。光导部分11实质上形成为三棱镜的形状，具有来自图像显示元件的光入射到其上的曲面组成的入射面11c、反射所有从入射面11c入射的光的平面表面组成的反射面11b、以及由发出被反射面11b反射的光并使该光入射到板式部分5的表面5a上部(图1)附近的曲面组成的发射面11a。

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和对侧表面5b平行于XY平面。另外，虽然图中未示出，但LED3、反射镜4、图像显示元件2和光导部分11也由上述支撑件支撑。结果，图像显示元件2设置在处于图1中纸平面内板式部分5上方左侧的位置，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，也可以在其它某些合适的位置设置图像显示元件2，并且通过中继光学系统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系统在该位置形成图像。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d(即，从而从表面5b入射并从表面5a出射)，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在顺时针方向以特定的角度相对于图1中所示的表面5a和5b倾斜。另外，反射面(反射镜)5c设置在板式部分5的内部面对板式部分5内光导部分11的表面11a的位置附近。如图1所示，反射面5c相对于表面5a和5b在逆时针方向以特定的角度倾斜。另外，来自图像显示元件2的光不通过板式部分5相对于图1中的反射面5c倾斜地位于上方的部分；因此，该部分也可以切去。在该情况下，反射面5c设置在板式部分5的表面上。

在本工作结构中，由于用和板式部分5相同的材料组成的一小部分(图1中板式部分5中反射式HOE 6右侧部分中的小部分)作为基底，反射式HOE 6制作在该部分上。之后，将该小部分5d放置在形成板式部分5的模具框架中，并且将熔融态的板式部分5的材料贯注到模具框架中，并再通过将该材料固化而将反射式HOE 6设置在板式部分5的内侧。当然，用于将反射式HOE 6设置在板式部分5内部的方法不限于该方法。

来自图像显示元件2的光束波长具有包括该反射式HOE 6的衍射效率峰值波长的波长宽度，该波长宽度的主要部分基本上与衍射效率峰值的波长重合，使得来自图像显示元件2的光被该反射式HOE 6反射。另一方面，反射式HOE6不偏转地透射外界光(图中未示出)。另外，希望把具有高波长选择性的反射式HOE用作反射式HOE6，使得与外界光的干涉尽可能的小。如果把对具有表示R、G和B各种颜色的三个窄波长区域的光具有相应选择性的反射式HOE用作反射式HOE 6，则用户观察到的图像可以是彩色的。

如图1所示，反射式HOE 6具有向观察者的瞳孔反射来自图像显示元件2的光的特性，并且还具有依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用，从而具有校正各种像差的图像聚焦作用。反射式HOE6可以是平面的反射式HOE，或者是具有曲面的反射式HOE。在把具有曲面的反射式HOE用作反射式HOE 6的情况下，如果反射式HOE设置为使得曲率中心位于用户的眼睛一侧，则在视角较大的情况下由反射式HOE6产生的根据视角的像差涨落量较小；因此，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可以通过利用例如图6所示类型的全息曝光设备(如后文所述)用来自两个光源的光同时照射这种材料而制作。

穿过图像显示元件2的显示部分上任意点的光(显示图像的光)从光导部分11的入射面11c进入光导部分11的内部。该光被光导部分11的反射面11b全反射，并从光导部分11的发射面11a出射，使得该光从板式部分5的表面5a的区域R0进入板式部分5的内部。从区域R0进入板式部分5内部的光被反射面5c反射，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。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。该光再以大于临界角的入射角进一步入射到板式部分5的表面5a的区域R3，使得该光被区域R3全反射。该光再以大于临界角的入射角进一步入射到板式部分5的表面5b的区域R4，使得该光被区域R4全反射。该光再以大于临界角的入射角进一步入射到板式部分5的表面5a的区域R5，使得该光被区域R5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的反射和衍射效应以及图像聚焦效应，图像聚焦效应由依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用而引起。随后，该此光从板式部分5的表面5a的区域R6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，眼睛的瞳孔处于出射光瞳P上，使得在离开出射光瞳P无限远距离或特定距离(在后面描述的具体实例中为1m；在后面叙述的其他工作结构的具体实例中该距离也相同)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通常只具有单个波长区域成分。不过，例如在使用白色LED作为LED3、使用彩色反射式HOE作为反射式HOE 6的情况下，该光具有多个离散的单独波长区域成分。

而且，在本工作结构中用作反射式HOE6的反射式HOE使得距离Rd设定为基本上大于距离Pd，其中Rd是播放期间(制作该反射式HOE期间用于对反射式HOE6曝光的两个光源(对应于单个波长区域或多个单独波长区域中的单个单独波长区域)中)位于观察者眼睛一侧上的光源和反射式HOE6的全息平面之间的距离，Pd是图像合成器的出射光瞳和反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)。希望距离Rd是距离Pd的两倍或更大。另外，希望距离Rd为100mm或更大。

此外，距离Rd不必限于实际本光源设置的距离和全息平面的距离；例如，在实际本光源和全息平面之间设置光学系统的情况下，该距离对应于从与光源共轭的位置到全息平面的距离。另外，在利用聚光透镜或空间滤波器等光源形成准二阶光源的情况下，该距离对应于从该准二阶光源到全息平面的距离。这些事实是本领域技术人员公知的内容。

在本工作结构中，距离Rd基本上大于距离Pd；因此，用来制作反射式全息光学元件的曝光光学系统比上述传统图像显示装置中的曝光光学系统要简单；从而便于制作，而且能够以良好的精度得到希望的光学性质，例如在其中校正了各种类型像差的高性能的图像聚焦效应。这一点将在后面结合本工作结构的第一到第六具体实例(在后面描述)的研究进行描述。

[第一工作结构的第一具体实例]

此处，将参考图1对第一工作结构的第一具体实例进行描述。在该具体实例的设计中，把本技术领域内公知的美国Optical ResearchAssociates公司制造的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片段的形状。这些方面在后面描述的第二到第六各个具体实例以及第二工作结构的具体实例中也一样。

下面描述该第一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3.4mm。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。

由于HOE6由两束用于曝光的光束的波前±差来确定，HOE 6可以通过指示这两个光束的光学条件而定义。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)。如图2所示，这些坐标把HOE平面与光轴的交点取作原点，光轴的方向取作Z轴，HOE平面内纸平面的方向取作Y轴，相对于纸平面的深度方向取作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2％。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2％使得播放期间的中心波长为521.36nm。HOE6的表面为中心位于图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29.3°。为使图像聚焦性能最佳，HOE 6具有对应于依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用的相位函数分量。

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变换量的函数；在光学设计方案Code V中，这可以利用X和Y轴分量的多项式系数等表示。

另外，用于在该具体实例中光线跟踪的各种量列于下列表1。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1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1)

平面号(标记)       曲率半径             介质nd             νd

1(P)               无限远2(5a：R6)          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：-.173228×10+10        HZ1：-.135831×10+10HX2：0.000000×10+00      HY2：0.300000×10+06        HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4341×10-01         C3：-1.1210×10-02          C5： -9.0059×10-03C7：-1.3958×10-04        C9：-7.0582×10-05          C10：4.8900×1006C12：5.9881×10-06        C14：3.7963×10-06          C16：-6.3066×10-06C18：-1.5310×1006        C20：-6.8667×10-06         C21：3.0656×10-06C23：4.3271×10-06        C25：5.9772×10-08          C27：1.4296×10-06C29：1.7262×10-07        C31：-1.9135×10-06         C33：-2.4034×10-06C35：1.0147×10-06        C36：-4.3191×1007          C38：-2.6873×10-07C40：3.4866×10-07        C42：1.0228×1006           C44：-5.5562×10-07C46：-1.2622×10-09       C48：1.5068×10-07          C50：2.6807×10-07C52：2.7379×10-07        C54：-6.8986×10-08         C55：1.8862×10-08C57：1.0718×10-09        C59：-2.1626×10-08         C61：-1.3252×10-07C63：-9.6312×10-08       C65：4.7721×10-084(5a：R5)          无限远               1.596229           40.4反射平面5(5b：R4)          无限远               1.596229           40.4反射平面6(5a：R3)          无限远               1.596229           40.4反射平面7(5b：R2)          无限远               1.596229           40.4反射平面8(5a：R1)          无限远               1.596229           40.4反射平面9(5c)              无限远               1.596229           40.4反射平面10(5a：R0)         无限远11(11a)            -13.40165            1.596229           40.412(11b)            -278.57144           1.596229           40.4反射平面13(11c)            -25.94668            1.596229           40.414(2)              无限远

表1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(1)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(2)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，相位函数由下面的式(3)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。

$\underset{m=0}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Cmn}{X}^m{Y}^n,$ 其中Cmn＝0  …(1)

$j=\frac{{(m+n)}^2+m+3n}{2}---\left(2\right)$

C1X+C2Y+C3X²+c4XY+…+C65Y¹⁰  …(3)

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2中示出了以第一平面(平面号1＝图1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，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2)

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)        0.00000    0.00000     0.00000     0.00002(5a：R6)   0.00000    0.00000     13.00000    0.00003(6)        0.00000    0.00000     14.70000    -29.30004(5a：R5)   0.00000    4.00000     13.00000    0.00005(5b：R4)   0.00000    8.00000     16.40000    0.00006(5a：R3)   0.00000    14.00000    13.00000    0.00007(5b：R2)   0.00000    20.00000    16.40000    0.00008(5a：R1)   0.00000    25.00000    13.00000    0.00009(5c)       0.00000    28.00000    14.80000    29.000010(5a：R0)  0.00000    30.00000    13.00000    0.000011(11a)     0.00000    26.54141    11.80000    22.505412(11b)     0.00000    26.66663    6.87716     64.505413(11c)     0.00000    30.75393    3.07182     106.938714(2)       0.00000    33.97663    1.83499     121.7187

关于本具体实例中HOE 6的第一光源(播放期间位于观察者眼睛一侧上的光源)，离开HOE平面原点的距离为2.2×10⁹，在图2中yz坐标系的第三象限(HX1：0，HY1：0.214385×10^+0.8，HZ1：0.155769×10⁺⁰⁸)。

另外，HOE 6的两个光源在空气中定义；因此，在播放期间HOE6设置在一种介质中的情况下，对折射率进行校正来计算该距离并比较。在该第一具体实例中，HOE 6到第一光源的距离Rd(空气中算出的距离)为2.2×10⁹mm，并且因而近似无限远。另一方面，HOE 6的平面到出射光瞳P的光瞳平面的距离为14.7mm。但是，1.7mm的该距离位于折射率近似为1.6的介质中；因此，对于空气转变的长度为1.06mm，使得从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离(空气中算出的距离)Pd为14.06mm。

此处，图3表示用于表示构成本具体实例的图像显示装置的光学系统图像聚焦性能的横向像差简图，其中假设实际HOE 6保持表1中定义的设计值。此处在一幅图中同时表示中心波长521.36nm和关于该中心波长±10nm的波长531.36nm以及511.36nm的横向像差值。从图3中可以看出，HOE 6具有设计值的特性的情况下，整个视角区域内几乎没有横向色差，以至于图像聚焦性能很优越。

这里设计了一个在实际上制造表1中定义的反射式HOE 6时使用的曝光光学系统。图4表示该曝光光学系统的实质部分的光路简图。图5是图4所示光学系统中的棱镜21的放大图。另外，图6表示在利用图4所示的光学系统制作反射式HOE 6期间曝光反射式HOE 6的全息曝光设备的一个实例的示意性结构简图。

图4所示的光学系统基本上对应于图21中所示的曝光透镜；该光学系统由一个棱镜21和一个球面透镜22以极简单的方式构成。

如图5所示，棱镜21由组成上述图1中板式部分5的一部分的小部分5d、与小部分5d有相同折射率并保持该小部分5d的保持件(在某些情况下也称为“采用件”)24、以及填充小部分5d和保持件24之间的间隙并与小部分5d和保持件24有相同折射率的填充剂(图中未示出)构成。在位于小部分5d侧面上的棱镜21的表面上形成反射式HOE 6(严格地讲是用于形成反射式HOE 6的光敏材料层)，并将其布置成使得在曝光完成和反射式HOE 6的制作完成之后，可以从保持件24上去除其上形成有反射式HOE 6的小部分5d，并且可以通过上述方法把反射式HOE 6设置在板式部分5的内部。

在图4和5中，出射光瞳P设置在通过利用HOE6的位置作为基准校正在空气中的折射率下图1所示出射光瞳P的位置而获得的位置上。在图4和5中，B1表示反射式HOE 6曝光期间由第一光源(出射光瞳P一侧的光源)产生的曝光光束(参考光)，B2表示用于形成由第二光源产生的曝光光束(物体光)的平行光束(平面波)。因而，图4中所示的光学系统是远焦光学系统。另外，22a表示球面透镜22在棱镜21一侧上的表面，22b表示球面透镜22在第二光源一侧上的表面。

在图6所示的全息曝光设备中，当用于控制曝光时间的快门32打开时，激光光源31入射到扩束器/整束器单元33上。该单元33有一个把入射光入射到焦点上的透镜34、一个设置在该焦点上的针孔35和准直穿过针孔35的光束的准直透镜36；该单元33合并了截取噪声光束的空间滤波器的功能和扩展光束直径的扩束器的功能。来自单元33的平行光束的偏振方向被1/2波长板37旋转之后，只有特定的偏振分量穿过偏振分束器38。1/2波长板37布置成可以进行适当的旋转，并且1/2波长板37和偏振分束器38构成光量调节部分。通过偏振分束器38的光被反射镜39反射，并再被分束器40分成两个光束。

通过分束器40的光束被反射镜41反射，并被光阑42限定为所要的直径；然后，虽然仍为平行光束(平面波)的形式，但该光束(作为由第一光源(出射光瞳P一侧的光源)产生的曝光光束(参考光束))入射到用于形成反射式HOE 6以施加到棱镜21上作为涂层的全息光敏材料如乳胶上。

同时，分束器40反射的光束被反射镜43反射，并且被聚焦透镜44聚焦在焦点上；该光经过设置在该焦点处的针孔45，接着被准直透镜46转变为平行光束并且扩展到所需的光束直径，并被光阑47进一步限定为指定的直径，从而形成平行光束B2，平行光束B2用于形成第二光源产生的曝光光束(物体光束)。该平行光束(平面波)B2被透镜22和棱镜21转变为所要的非球面波，并且(从与参考光侧相对的一侧)入射到用于形成反射式HOE 6以施加到棱镜21上作为涂层的全息光敏材料如乳胶上。

作为参考光束和物体光束这样入射到该光敏材料如乳胶上的结果，参考光和物体光的干涉条纹被记录在光敏材料上作为(例如)折射率的差异。另外不用说，如果需要的话，在该曝光后对感光材料显影。

对于曝光透镜有各种设计程序；但把(上述)Code V用在图4所示光学系统的设计中。在Code V的情况下，从表1所示的反射式HOE 6的第一光源通过反射式HOE 6进行对第二光源的光线跟踪。如果在通过HOE6后通过插入图4所示的光学系统来进行与反射式HOE6中的相位变换作用相当的作用，则波前可以形成一个清晰的球面波，并且可以无像差地聚焦成第二光源上的图像。

当根据表1和2中所示图像显示装置的光学系统的设置值设置图4中所示的光学系统时，反射式HOE 6更改为透射设置；但在该情况下，非球面相位项的变换作用必须相同。因此，需要等同地转换相位系数，并且第一光源的坐标用作物点，从该点进行光线跟踪。即使由不同于播放系统中限定的第一光源的距离设计曝光系统，也不能获得正确的相位变换作用。但是，在图4所示光学系统的设计中，第一光源离HOE平面的原点的距离即2.2×10⁹mm极大；因此，第一光源与HOE 6之间的距离值(空气中算得)可以看作无限远。因此，这实际上被看作无限远，并且用平行光入射来设计图4所示光学系统的光线跟踪。

此处，用于图4所示光学系统的光线跟踪的各种量示于下列表3。光学平面的顺序(平面号的顺序)是从第一光源(＝图像合成器的出射光瞳P一侧的光源)到第二光源。

在表3中，平面号1的标记S1表示第一光源。平面号3的全息平面的各种系数与上述表1中的一样。入射光瞳直径必须是满足全息平面有效直径的直径；此处，该直径为6.2。因为这是来自于点光源(此处以平行光来限定)的光，所以不需要视角。用于光线跟踪的波长是曝光波长532nm。该光学系统是一个远焦光学系统，光束在离开平面号为6的表面之后成为平行光。

(表3)

平面号(标记)       曲率半径        介质nd              νd

1(S1)             无限远2(P)              无限远3(6)              无限远          1.596229            40.4全息平面：两个光束的定义HV1：VIR                 HV2：VIRHX1：0.000000×10+00     HY1：-.173228×10+10     HZ1：-.135831×10+10HX2：0.000000×10+00     HY2：0.300000×10+06     HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4341×10-01        C3：-1.1210×10-02       C5： -9.0059×10-03C7：-1.3958×10-04       C9：-7.0582×10-05       C10：4.8900×10-06C12：5.9881×10-06       C14：3.7963×10-06       C16：-6.3066×10-06C18：-1.5310×10-06      C20：-6.8667×10-06      C21：3.0656×10-06C23：4.3271×10-06       C25：5.9772×10-08       C27：1.4296×10-06C29：1.7262×10-07       C31：-1.9135×1006       C33：-2.4034×10-06C35：1.0147×10-06       C36：-4.3191×10-07      C38：-2.6873×10-07C40：3.4866×10-07       C42：1.0228×10-06       C44：-5.5562×10-07C46：-1.2622×10-09      C48：1.5068×10-07       C50：2.6807×10-07C52：2.7379×1007        C54：-6.8986×10-08      C55：1.8862×10-08C57：1.0718×10-09       C59：-2.1626×10-08      C61：-1.3252×10-07C63：-9.6312×10-08      C65：4.7721×10084(21b)            无限远5(22a)            -1158.0113      1.516800                64.1036(22b)            -92.2168

另外，表4中示出了以第三平面(平面号3＝图4中的标记6，全息平面)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)，作为图4所示光学系统的各个光学平面的位置关系。

(表4)

平面号(标记)   X坐标值   Y坐标值     Z坐标值      绕X轴的旋转角[度]
	2(P)          0.00000   -10.23007   -8.02157     51.89943(6)          0.00000   0.00000     0.00000      0.00004(21b)        0.00000   -3.25869    6.00000      -54.81355(22a)        0.00000   -32.07451   135.37508    6.76396(22b)        0.00000   -31.36784   141.33332    6.7639

图7表示根据图4所示光学系统的光线跟踪在出射光瞳平面(即图4中的表面23)上的波前像差。从图7中看出，校正得极好，即RMS为0.1λ。

接下来，来确定包含上述图4所示光学系统的图6所示全息曝光设备曝光的反射式HOE 6的性能。为此，需要比较两种光学性能：一种是在将被包含图4所示光学系统的图6所示全息曝光设备曝光的反射式HOE 6结合到该图像显示装置的光学系统中来取代具有表1中限定的设计值的反射式HOE 6设计的情形中，构成第一具体实例的图像显示装置的光学系统的光学性能；另一种是假设具有表1中定义的设计值“原样”的反射式HOE 6的情形中该图像显示装置的光学系统的光学性能。

这可以通过优化作为变量的HOE 6的相位函数，使得图4所示光学系统的剩余像差就RMS而言完全为0λ，并评估该系数应用到表1所示图像显示装置的光学系统的透镜数据的性能来实现。图8表示结合了利用该方法进行模拟曝光后的HOE 6的图像显示装置的光学系统的横向像差；该光学系统的畸变(图像显示元件2的显示部分表面处的畸变)示于图9。

图8所示的横向像差表示与图3所示横向像差近似有相同的良好结果。而且，两种畸变近似相当。因而利用图4所示光学系统曝光的反射式HOE 6的性能与表1中所限定的反射式HOE 6设计的性能相当，因而也是很好的。

[第一工作结构的第二具体实例]

接下来描述第一工作结构的第二具体实例。

该第二具体实例与上述第一具体实例的不同仅在于用下列表5所示的量取代上述表1中所示各种光学量中定义反射式HOE 6的各个量(设计值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的距离(在空气中算出的距离)Rd约为无限远，即2.2×10⁹mm；另一方面，在表5的情况下，距离Rd设为19.98mm。但是，涉及表5中定义的全息平面的其它各种量设置成使得获得与具有表1中限定的全息平面有关的各种量的反射式HOE 6差不多相当的图像聚焦性能。

另外，在该第二具体实例中，从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离Pd(就空气而言算得)与上述第一具体实例中的相同，为14.06mm。因此，在该第二具体实例中，Rd＝1.42×Pd。

(表5)

平面号(标记)         曲率半径          介质nd                 νd

3(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：-.157255×10+02       HZ1：-.123306×10+02HX2：0.000000×10+00       HY2：0.300000×10+06       HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4111×10-01          C3：-1.4147×10-02         C5：6.7622×10-04C7：-1.0315×10-03         C9：-4.2591×10-04         C10：6.5841×10-07C12：3.0459×10-05         C14：1.5036×10-06         C16：-5.0732×10-06C18：-2.0023×10-06        C20：-3.8089×10-06        C21：2.2637×1007C23：-1.7895×10-07        C25：1.5559×10-06         C27：4.4580×10-06C29：6.2301×10-07         C31：6.7059×10-07         C33：-2.9845×10-06C35：4.1786×10-07         C36：-6.1226×10-08        C38：1.5685×10-07C40：-1.0540×10-07        C42：3.2292×10-07         C44：-5.9409×10-07C46：-2.1441×10-08        C48：-2.4405×10-08        C50：-9.0636×10-08C52：6.0644×10-07         C54：-2.7338×10-08        C55：3.1255×10-09C57：-1.3599×10-08        C59：1.2567×10-08         C61：1.3417×10-08C63：-1.4143×1007         C65：2.9702×1008

用于表5中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统通过与用于设计表1中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统的方法相同的方法设计。该曝光光学系统实质部分的光路简图示于图10。在图10中，与图4中相同的元件或对应于图4中元件的元件标以相同的标号并省去重复的描述。另外，在该具体实例中，第一光源的位置为示于O₁处的位置。

图10中所示的光学系统具有这样的结构，其中同心设置涂覆有光敏材料如乳胶以形成反射式HOE 6的单棱镜51、单圆柱状透镜52和四个球面透镜53～56。另外，虽然图中未示出，但棱镜51由构成图1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持该小部分5d的保持件以及填充在这些部件之间的空间中的填充材料构成，就像图4和5所示的棱镜21一样。

在图10所示的光学系统的情形中，对于透镜组的各个透镜偏心只利用平移，不利用倾斜。因此，与图21所示的传统曝光光学系统相比，很容易获得支撑透镜的金属部分的所需容限以及组件的所需精度。但是，在图10所示光学系统的情况下，在图21所示的传统曝光光学系统的情况下，组成透镜的数量很大；因此，容限严格。

在图6所示的全息曝光设备中设置图10所示光学系统以取代棱镜21和透镜22的装置可以用作全息曝光设备，在利用图10所示的光学系统制作该反射式HOE 6时该全息曝光设备对反射式HOE 6曝光。但是，在第二具体实例中，因为距离Rd设置为19.98mm，所以例如根据该距离在反射镜41和光阑42之间同轴设置凸透镜。另外，不用说，要更改图6中元件43～47部分的位置和角度以便满足图10中光束B1和B2之间的角度关系。

[第一工作结构的第三具体实例]

接下来描述第一工作结构的第三具体实例。

该第三具体实例与上述第一具体实例的不同在于曝光波长设置为476nm，并且用下列表6所示的量取代上述表1所示各种光学量中定义反射式HOE 6的各个量(设计值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的距离约为无限远，即2.2×10⁹mm；而在表6的情况下，距离Rd设为37.43mm。但是，涉及表6中定义的全息平面的其它各种量设置成使得获得与具有表1中限定的全息平面有关的各种量的反射式HOE 6近似相当的图像聚焦性能。

另外，在该第三具体实例中，从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离(空气中算得)Pd与上述第一具体实例中的相同，为14.06mm。因此，在该第三具体实例中，Rd＝2.66×Pd。

(表6)

平面号(标记)       曲率半径         介质nd              νd

3(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：-.293706×10+02     HZ1：-.231950×10+02HX2：0.000000×10+00       HY2：0.300000×10+06     HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4562×10-01          C3：2.1484×10-03        C5：-3.8810×10-03C7：-4.2961×10-04         C9：-2.0878×10-04       C10：-1.5455×1005C12：1.2828×10-05         C14：8.6036×10-06       C16：-2.0197×10-05C18：-1.6424×10-05        C20：3.1442×10-07       C21：1.2270×10-05C23：1.0753×10-05         C25：1.0455×10-05       C27：-8.4147×10-07C29：2.9980×10-06         C31：3.1664×10-07       C33：-1.8134×10-06C35：2.5856×10-08         C36：-2.0185×10-06      C38：-1.7766×10-06C40：-1.1308×10-06        C42：-1.3573×10-06      C44：5.1589×10-08C46：-2.2024×10-07        C48：3.4876×10-08       C50：3.5466×10-07C52：7.2321×10-07         C54：-1.5338×10-08      C55：1.1275×10-07C57：1.2705×10-07         C59：2.2362×10-08       C61：-5.0651×10-08C63：-9.4909×10-08        C65：1.8711×10-09

用于表6中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统通过与用于设计表1中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统的方法相同的方法设计。该曝光光学系统实质部分的光路简图示于图11。在图11中，与图4中相同的元件或对应于图4中元件的元件标以相同的标号并省去重复的描述。另外，在该具体实例中，第一光源的位置为示于O2处的位置。

图11中所示的光学系统具有这样的结构，其中偏心设置涂覆有光敏材料如乳胶以形成反射式HOE 6的单棱镜61和四个球面透镜62～65。另外，虽然图中未示出，但棱镜61由构成图1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持该小部分5d的保持件以及填充在这些部件之间的空间中的填充材料构成，就像图4和5所示的棱镜21一样。

在图11所示的光学系统的情形中，与图10所示的光学系统相比，透镜的数量可以减少一个圆柱状透镜。另外，在图11所示的光学系统的情况下，对于透镜组的各个透镜偏心只利用平移，不利用倾斜。

在图6所示的全息曝光设备中设置图11所示光学系统以取代棱镜21和透镜22的装置可以用作全息曝光设备，在利用图11所示的光学系统制作该反射式HOE 6时该全息曝光设备对反射式HOE 6曝光。但是，在第三具体实例中，因为距离Rd设置为37.43mm，所以例如根据该距离在反射镜41和光阑42之间同轴设置凸透镜。另外，不用说，要更改图6中元件43～47部分的位置和角度以便满足图11中光束B1和B2之间的角度关系。

[第一工作结构的第四具体实例]

接下来描述第一工作结构的第四具体实例。

该第四具体实例与上述第一具体实例的不同在于曝光波长设置为647nm，并且用下列表7所示的量取代上述表1所示各种光学量中定义反射式HOE 6的各个量(设计值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的距离(在空气中算出的距离)Rd约为无限远，即2.2×10⁹mm；而在表7的情况下，距离Rd设为75.23mm。但是，涉及表7中定义的全息平面的其它各种量设置成使得获得与具有表1中限定的全息平面有关的各种量的反射式HOE 6近似相当的图像聚焦性能。

另外，在该第四具体实例中，从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离(空气中算得)Pd与上述第一具体实例中的相同，为14.06mm。因此，在该第四具体实例中，Rd＝5.35×Pd。

(表7)

平面号(标记)        曲率半径          介质nd               νd

3(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：-.553760×10+02       HZ1：-.509267×10+02HX2：0.000000×10+00       HY2：0.300000×10+06       HZ2：-.213239×10+07相位系数C2：5.8653×10-01          C3：-4.7580×1003          C5：-6.0876×10-03C7：-2.4040×10-04         C9：-9.9769×10-05         C10：1.1280×10-06C12：-9.9745×10-06        C14：-4.8552×10-06        C16：-6.9748×10-06C18：-1.8263×10-06        C20：-5.6603×10-06        C21：4.3977×10-06C23：4.5293×10-06         C25：1.3025×1006          C27：5.1045×10-06C29：6.0870×10-07         C31：-.8.1812×10-07       C33：-8.4377×10-07C35：8.1137×10-07         C36：-6.5192×10-07        C38：2.8374×1007C40：-9.8121×10-07        C42：1.9651×10-06         C44：-1.4067×10-06C46：-7.7498×10-08        C48：2.0578×10-07         C50：-9.3853×10-08C52：9.2070×10-08         C54：-4.9617×10-08        C55：3.0027×10-08C57：-5.9862×10-08        C59：9.6063×10-08         C61：-1.8475×10-07C63：-1.7459×10-07        C65：1.1549×10-07

用于表7中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统通过与用于设计表1中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统的方法相同的方法设计。该曝光光学系统实质部分的光路简图示于图12。在图12中，与图4中相同的元件或对应于图4中元件的元件标以相同的标号并省去重复的描述。另外，在该具体实例中，第一光源的位置为示于O₃处的位置。

图12中所示的光学系统具有这样的结构，其中偏心设置涂覆有光敏材料如乳胶以形成反射式HOE 6的单棱镜71和三个球面透镜72～74。另外，虽然图中未示出，但棱镜71由构成图1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持该小部分5d的保持件以及填充在这些部件之间的空间中的填充材料构成，就像图4和5所示的棱镜21一样。

在图12所示的光学系统的情形中，与图11所示的光学系统相比，透镜的数量可以减少一个球面透镜。另外，在图12所示的光学系统的情况下，对于透镜组的各个透镜偏心只利用平移，不利用倾斜。

在图6所示的全息曝光设备中设置图12所示光学系统以取代棱镜21和透镜22的装置可以用作全息曝光设备，在利用图12所示的光学系统制作该反射式HOE 6时该全息曝光设备对反射式HOE 6曝光。但是，在第四具体实例中，因为距离Rd设置为75.23mm，所以例如根据该距离在反射镜41和光阑42之间同轴设置凸透镜。另外，不用说，要更改图6中元件43～47部分的位置和角度以便满足图12中光束B1和B2之间的角度关系。

[第一工作结构的第五具体实例]

接下来描述第一工作结构的第五具体实例。

该第五具体实例与上述第一具体实例的不同在于曝光波长设为476nm，并且用下列表8所示的量取代上述表1中所示各种光学量中定义反射式HOE 6的各个量(设计值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的距离(在空气中算出的距离)Rd约为无限远，即2.2×10⁹mm，而在表8的情况下，距离Rd设为146.28mm。但是，涉及表8中定义的全息平面的其它各种量设置成使得获得与具有表1中限定的全息平面有关的各种量的反射式HOE 6相当的图像聚焦性能。

另外，在该第五具体实例中，从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离(空气中算得)Pd与上述第一具体实例中的相同，为14.06mm。因此，在该第五具体实例中，Rd＝10.40×Pd。

(表8)

平面号(标记)       曲率半径            介质nd              νd

3(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：-.114800×10+03       HZ1：-.906616×10+02HX2：0.000000×10+00      HY2：0.300000×10+06       HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4562×10-01         C3：-7.7935×10-03         C5：-7.6999×10-03C7：-1.6780×10-04        C9：-1.0821×10-04         C10：-1.3111×1005C12：8.8526×10-06        C14：6.7304×10-06         C16：-2.0346×10-05C18：-1.6415×10-05       C20：3.3963×10-07         C21：1.2269×10-05C23：1.0758×10-05        C25：1.0457×10-05         C27：-8.4145×10-07C29：2.9982×10-06        C31：3.1652×10-07         C33：-1.8137×10-06C35：2.5814×10-08        C36：-2.0185×10-06        C38：-1.7766×10-06C40：-1.1308×10-06       C42：-1.3573×10-06        C44：5.1578×10-08C46：-2.2024×1007        C48：3.4870×1008         C50：3.5469×10-07C52：7.2325×10-07        C54：-1.5335×10-08        C55：1.1275×10-07C57：1.2705×10-07        C59：2.2363×1008          C61：-5.0658×10-08C63：-9.4917×10-08       C65：1.8712×10-09

用于表8中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统通过与用于设计表1中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统的方法相同的方法设计。该曝光光学系统实质部分的光路简图示于图13。在图13中，与图4中相同的元件或对应于图4中元件的元件标以相同的标号并省去重复的描述。另外，在该具体实例中，第一光源的位置为示于O4处的位置。

图13中所示的光学系统具有这样的结构，其中偏心设置涂覆有光敏材料如乳胶以形成反射式HOE 6的单棱镜81、在图13纸平面中有一曲率但在与纸平面垂直的横截面上为平面的单圆柱状透镜82、以及两个球面透镜83和84。但是，因为球面透镜83和球面透镜84同轴，所以透镜偏心轴的总数量为二。另外，对于透镜组的各个透镜偏心只利用平移；不采用倾斜。

另外，虽然图中未示出，但棱镜81由构成图1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持该小部分5d的保持件以及填充在这些部件之间的空间中的填充材料构成，就像图4和5所示的棱镜21一样。

在图6所示的全息曝光设备中设置图13所示光学系统以取代棱镜21和透镜22的装置可以用作全息曝光设备，在利用图13所示的光学系统制作该反射式HOE 6时该全息曝光设备对反射式HOE 6曝光。但是，在第五具体实例中，因为距离Rd设置为146.28mm，所以例如根据该距离在反射镜41和光阑42之间同轴设置凸透镜。另外，不用说，要更改图6中元件43～47部分的位置和角度以便满足图13中光束B1和B2之间的角度关系。

[第一工作结构的第六具体实例]

接下来描述第一工作结构的第六具体实例。

该第六具体实例与上述第一具体实例的不同仅在于用下列表9所示的量取代上述表1所示各种光学量中定义反射式HOE 6的各个量(设计值)。在表1的情形中，HOE 6到第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的距离(在空气中算得)Rd约为无限远，即2.2×10⁹mm；而在表9的情况下，距离Rd设为2×10⁷mm，稍短，但仍近似为无限远。但是，涉及表9中定义的全息平面的其它各种量设置成使得获得与具有表1中限定的全息平面有关的各种量的反射式HOE 6近似相当的图像聚焦性能。

另外，在该第六具体实例中，从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离(空气中算得)Pd与上述第一具体实例中的相同，为14.06mm。

(表9)

平面号(标记)       曲率半径           介质nd            νd

3(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：-.154564×10+10       HZ1：-.156741×10+10HX2：0.000000×10+00      HY2：0.161469×10+05       HZ2：-.213757×10+07相位系数C2：6.9691×10-01         C3：-6.8879×10-03         C5：-4.9727×10-03C7：4.5573×1006          C9：-5.8581×1005          C10：8.2522×1005C12：1.0705×10-06        C14：-2.7546×10-05        C16：1.3809×10-06C18：8.7299×10-06        C20：1.9922×10-05         C21：-6.1812×10-06C23：2.7606×10-05        C25：2.1018×10-05         C27：3.0300×10-05C29：-1.9307×10-06       C31：-7.7454×10-07        C33：-3.1438×10-06C35：-5.5880×10-06       C36：3.3921×10-07         C38：-3.0563×10-06C40：-3.9916×10-06       C42：-1.3029×10-06        C44：-6.5609×10-06C46：1.1493×1007         C48：6.4394×1008         C50：1.3610×10-07C52：3.0892×10-07        C54：4.2329×10-07         C55：-8.0825×10-09C57：1.2810×10-07        C59：2.1026×10-07         C61：2.8983×10-08C63：2.5455×10-08        C65：4.2578×10-07

用于表9中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统通过与用于设计表1中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统的方法相同的方法设计。该曝光光学系统实质部分的光路简图示于图14。在图14中，与图4中相同的元件或对应于图4中元件的元件标以相同的标号并省去重复的描述。另外，在该第六具体实例中，距离Rd的值可以看作为无限远，与上述第一具体实例的情况相同，实际采用平行光入射来设计曝光透镜的光线跟踪。

图14中所示的光学系统有一个涂覆有光敏材料如乳胶以形成反射式HOE 6的单棱镜91和两个相互共轴的球面透镜92和93。如果透镜组为共轴，则可以通过构成支撑部分的配件从而当透镜组加入配件中时在观察透射光的偏心移动的同时消除移动来保持透镜组；因此大大地改善了性能。另外，如果在配件的邻接表面和透镜外径的中心轴之间获得直角，则即使后续的设置偏心，也可以很容易地获得角度和位置精度。

另外，虽然图中未示出，但棱镜91是一种与构成图1中板式部分5的一部分的小部分5d相当的棱镜。

在图6所示的全息曝光设备中设置图14所示光学系统以取代棱镜21和透镜22的装置可以用作全息曝光设备，在利用图14所示的光学系统制作该反射式HOE 6时该全息曝光设备对反射式HOE 6曝光。另外，不用说，要更改图6中元件43～47部分的位置和角度以便满足图14中光束B1和B2之间的角度关系。

[根据第一工作结构的第一～第六具体实例的研究]

比较上述第一工作结构的第一～第六具体实例可以看到，在对具有较高阶(三阶或更高阶)非球面相位项的HOE 6曝光的情况下，曝光光学系统随着HOE 6到第一光源(播放期间观察者眼睛一侧的光源)的距离Rd(空气中算得)变大而变得简单。

原因如下：

在所有情况下从观察者眼睛的瞳孔一侧进行光线跟踪。另外，播放系统是指图像合成器光学系统，其中曝光的反射式HOE结合到板式部分中并与图像显示装置集成一体。而且从观察者观察到的虚像开始朝着图像显示装置的显示屏进行播放系统的光线跟踪。

曝光系统是指用于对播放系统中限定的反射式HOE曝光的光学系统；以反射式HOE的第一光源作为物点进行光线跟踪，使得在光线通过HOE之后，通过曝光透镜把图像聚焦到第二光源上。

此处，当根据播放系统设计曝光系统的光学系统时，将反射式HOE6改为透射设置；在该情况下，非球面相位项的变换作用必须相同。因此，必须等同地转换相位系数，并且第一光源的坐标用作物点，从该物点进行光线跟踪。即使由不同于播放系统定义的第一光源的距离设计曝光系统，也不能获得正确的相位变换作用。

顺便提及，曝光光学系统的结构随着距离Rd变大而变简单的原因依据于光线从第一光源(曝光系统中)入射到HOE 6上并从中透射过之后的发散角。如果试图构成一种与各个变换作用等同的作用，其中具有非球面波前的光线成束，则必须赋予光线在空间形式上密集集中的点处的各个光线所需的相位变换作用。因此，必须使用大量的透镜，并进行所需的校正，而造成每次少量的光折射。

另一方面，关于非球面弯曲量，甚至在相当的非球面波前的情况下光束发散，各个成分在空间上分离；因此易于校正。

另外，曝光系统中光线透射过HOE之后的发散角取决于第一光源的光源距离。

例如，当距离Rd基本上等于播放系统的合成焦点的距离时，如果从作为反射式HOE的播放系统的光学布局中光源的坐标开始进行光线跟踪，则被HOE反射的光束是从焦点附近发出的光束；因此，该光束基本上平行。曝光透镜设计成使得向HOE的反面延伸该基本上平行的光的光束转变为无像差的光。

接下来，在距离Rd短于播放系统的合成焦点的距离的情况下，如果从播放系统的光学布局中第一光源的坐标开始进行光线跟踪，则光线被HOE平面反射之后成为发散光。因为曝光透镜把向HOE的反面延伸该发散光的光束转变为无像差的光，所以必须对会聚光加入校正，使得图像无像差地聚焦。

在光源足够远的情况下，当从播放系统中的光源坐标开始进行光线跟踪时在反射之后产生会聚光。另外，因为向HOE的反面延伸该会聚光的光束转变为无像差的光，所以如果发散光得到校正就足够了，从而可以简化曝光透镜的结构。

发散程度随第一光源的距离而增大，并且较大的空间分离有利于校正。

在第一光源接近全息平面的情况下，曝光系统的入射NA增大；因此，曝光透镜设计上的困难程度增加。如果光源的距离增大，则因为全息平面的有效直径不变，曝光系统的入射NA相对减小，并且曝光透镜的结构可以简化。

上面讨论了曝光光学系统随距离Rd增大而变简单的原因。

因而，由于曝光光学系统随距离Rd增大变得简单，所以如果距离Rd充分大于距离Pd，则用于制作反射式HOE 6的曝光光学系统比距离Rd和距离Pd重合的传统图像显示装置简单。

另外，从上述第一工作结构的第一～第六具体实例的比较看出，希望将距离Rd设置成距离Pd的两倍或更大，以便更进一步简化曝光光学系统。而且，为了更进一步简化曝光光学系统，希望将距离Rd设置为距离Pd的五倍或更大。

[第二工作结构]

图15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和在该图像显示装置中的光线(仅指来自图像显示元件2的光线)路径。在图15中，与图1中相同或对应于图1中元件的元件标以相同的标号并省去赘述。另外，在图15中，省去了组成光源的LED 3和反射镜4。

该工作结构与上述第一工作结构的第一具体实例的基本不同之处在于反射式HOE 6的曝光波长为476nm，第一光源与反射式HOE 6之间的距离Rd为146mm。

本工作结构的各个光学量如下所示：

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°。关于纸平面深度方向上的视场角为±6.75°。图中纸平面内屏幕的大小(点A1和点A2之间的长度)为3.6mm。关于纸平面深度方向上屏幕的大小为4.8mm。板式部分5的厚度d为3.4mm。板式部分5采用与上述第一工作结构的第一具体实例中相同的材料。

另外，在该工作结构中用于光线跟踪的各种量列于下表10。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10)

平面号(标记)     曲率半径            介质nd               νd

1(P)             无限远2(5a：R6)        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：-.114800×10+03      HZ1：-.906616×10+02HX2：0.000000×10+00       HY2：0.300000×10+06      HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4562×10-01          C3：-7.7935×10-03        C5： -7.6999×1003C7：-1.6780×10-04         C9：-1.0821×10-04        C10：-1.3111×1005C12：8.8526×10-06         C14：6.7304×10-06        C16：-2.0346×10-05C18：-1.6415×10-05        C20：3.3963×10-07        C21：1.2269×10-05C23：1.0758×10-05         C25：1.0457×10-05        C27：-8.4145×10-07C29：2.9982×10-06         C31：3.1652×10-07        C33：-1.8137×10-06C35：2.5814×10-08         C36：-2.0185×10-06       C38：-1.7766×10-06C40：-1.1308×10-06        C42：-1.3573×10-06       C44：5.1578×10-08C46：-2.2024×1007         C48：3.4870×10-08        C50：3.5469×10-07C52：7.2325×10-07         C54：-1.5335×1008        C55：1.1275×10-07C57：1.2705×10-07         C59：2.2363×10-08         C61：-5.0658×10-08C63：-9.4917×10-08        C65：1.8712×10-094(5a：R5)        无限远              1.596229             40.4反射平面5(5b：R4)        无限远              1.596229             40.4反射平面6(5a：R3)        无限远              1.596229             40.4反射平面7(5b：R2)        无限远              1.596229             40.4反射平面8(5a：R1)        无限远              1.596229             40.4反射平面9(5c)            无限远              1.596229             40.4反射平面10(5b：R0)       无限远11(11a)          -13.83546           1.596229             40.412(11b)          -330.62026          1.596229             40.4反射平面13(11c)          -26.37009           1.596229             40.414(2)            无限远

另外，关于本工作结构中的各个光学平面的位置关系，在下列表11中示出了以第一平面(平面号1＝图1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，以及这些平面绕X轴的旋转量(以逆时针方向为正方向测量得到的值)。

(表11)

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)          0.00000    0.00000     0.00000     0.00002(5a：R6)     0.00000    0.00000     13.00000    0.00003(6)          0.00000    -0.37516    14.70000    -29.30004(5a：R5)     0.00000    4.00000     13.00000    0.00005(5b：R4)     0.00000    8.00000     16.40000    0.00006(5a：R3)     0.00000    14.00000    13.00000    0.00007(5b：R2)     0.00000    20.00000    16.40000    0.00008(5a：R1)     0.00000    25.00000    13.00000    0.00009(5c)         0.00000    28.00000    14.80000    29.000010(5a：R0)    0.00000    30.00000    13.00000    0.000011(11a)       0.00000    27.00000    11.80000    25.048612(11b)       0.00000    26.90665    6.87646     67.048613(11c)       0.00000    31.282      4.22843     108.816714(2)         0.00000    34.0048     1.41794     126.4527

关于本工作结构中反射式HOE 6的第一光源(播放期间位于观察者眼睛一侧的光源)，在图2中yz坐标的第三象限中到HOE平面原点的距离为146mm(HX1：0，HY1：-.114800×10⁺⁰³，HZ1：-.906616×10⁺⁰²)。

另外，HOE 6的两个光源在空气中定义；因此在播放期间HOE 6处于一种介质中的情况下，对折射率进行校正来计算距离并且进行比较。在本工作结构中，HOE 6到第一光源的距离(在空气中算得的距离)Rd为146mm。另一方面，HOE6平面离开出射光瞳P的光瞳平面的距离为14.7mm。但是，该1.7mm的距离处于折射率约为1.6的介质中；因此，对于空气转变的长度为1.06mm，从而从HOE 6到出射光瞳P的光瞳平面的距离Pd(空气中算得)为14.06mm。

此处，图16是用于表示构成本工作结构的图像显示装置的光学系统在假设实际HOE 6保持表10中定义的设计值“原样”的情况下的图像聚焦性能的横向像差简图。此处在一幅图中同时表示中心波长461nm和关于该中心波长±10nm的波长471nm以及451nm的横向像差值。从图16中可以看出，HOE 6具有设计值的特性的情况下，整个视角区域内几乎没有横向色差，以至于图像聚焦性能很优越。

用于表10中定义的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统通过与用于设计表1中定义的关于上述第一工作结构的第一具体实例的反射式HOE 6的实际制作中的曝光光学系统的方法相同的方法设计。该曝光光学系统实质部分的光路简图示于图17。在图17中，与图4中相同的元件或对应于图4中元件的元件标以相同的标号并省去重复的描述。另外，在该工作结构中，第一光源的位置为示于O5处的位置。

图17中所示的光学系统具有这样的结构，其中偏心设置涂覆有光敏材料如乳胶以形成反射式HOE 6的单棱镜101、在图17的纸平面中有曲面但在垂直于纸平面的横截面中为平面的单圆柱状透镜102和两个球面透镜103～和104。但是，因为球面透镜103和球面透镜104共轴，透镜偏心轴的总数量为二。另外，在透镜组的各个透镜的偏心中只使用平移，不使用倾斜。因而，图17所示的光学系统具有相对简单的结构。

另外，虽然图中未示出，但棱镜101由构成图1所示板式部分5的一部分的小部分5d、保持该小部分5d的保持件以及填充在这些部件之间的空间中的填充材料构成，就像图4和5所示的棱镜21一样。

在图6所示的全息曝光设备中设置图17所示光学系统以取代棱镜21和透镜22的装置可以用作全息曝光设备，在利用图17所示的光学系统制作该反射式HOE 6时该全息曝光设备对反射式HOE 6曝光。但是，在该工作结构中，因为距离Rd设置为146mm，所以例如根据该距离在反射镜41和光阑42之间同轴设置凸透镜。另外，不用说，要更改图6中元件43～47部分的位置和角度以便满足图17中光束B1和B2之间的角度关系。

此处，用于图17所示光学系统的光线跟踪的各种量示于下列表12。光学平面的顺序(平面号的顺序)是从第一光源(图像合成器1的出射光瞳P一侧的光源)到第二光源。

在表12中，平面号1的标记S1表示第一光源。平面号3的全息平面的各种系数与上述表10中的一样。入射光瞳直径必须是满足全息平面有效直径要求的直径；此处，直径为6.2。用于光线跟踪的波长是曝光波长476nm。

(表12)

平面号(标记)     曲率半径           介质nd                      νd

1(S1)            无限远2(P)             无限远3(6)             无限远             1.596229                    40.4全息平面：两个光束的定义HV1：VIR                    HV2：VIRHX1：0.000000×10+00       HY1：-.173228×10+10       HZ1：-.135831×10+10HX2：0.000000×10+00       HY2：0.300000×10+06       HZ2：-.213231×10+07相位系数C2：6.4562×10-01          C3：-7.7935×10-03         C5： -7.6999×10-03C7：-1.6780×10-04         C9：-1.0821×10-04         C10：-1.3111×10-05C12：8.8526×10-06         C14：6.7304×10-06         C16：-2.0346×10-05C18：-1.6415×10-05        C20：3.3963×10-07         C21：1.2269×10-05C23：1.0758×10-05         C25：1.0457×10-05         C27：-8.4145×1007C29：2.9982×10-06         C31：3.1652×10-07         C33：-1.8137×10-06C35：2.5814×10-08         C36：-2.0185×10-06        C38：-1.7766×10-06C40：-1.1308×1006         C42：-1.3573×10-06        C44：5.1578×10-08C46：-2.2024×10-07        C48：3.4870×10-08         C50：3.5469×10-07C52：7.2325×10-07         C54：-1.5335×10-08        C55：1.1275×10-07C57：1.2705×10-07         C59：2.2363×10-08         C61：-5.0658×10-08C63：-9.4917×10-08        C65：1.8712×10-094(101b)          无限远5(102a)圆柱状透镜Y方向            215.90872          1.516800                    64.103X方向            无限远6(102b)          无限远7(103a)          -13.81913          1.516800                    64.1038(103b)          -29.005419(104a)          -1172.23816        1.516800                    64.10310(104b)         -72.71635

另外，关于图17中所示光学系统中各个光学平面的位置关系，在下列表13中示出了以第三平面(平面号3＝图17中的标记6；全息平面)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，以及这些平面绕X轴的旋转量(以逆时针方向为正方向测得的值)。

(表13)

平面号(标记) X坐标值      Y坐标值      Z坐标值     绕X轴的旋转角[°]

2(P)        0.00000      -7.84782     -6.19772    51.70053(6)        0.00000      0.00000      0.00000     0.00004(101b)     0.00000      -6.81808     12.00000    -50.00005(102a)     0.00000      -17.64076    63.57146    -14.65936(102b)     0.00000      -20.6776     75.18083    -14.65937(103a)     0.00000      -30.39783    106.67695   -14.65938(103b)     0.00000      -33.43468    118.28632   -14.65939(104a)     0.00000      -51.1291     185.92939   -14.659310(104b)    0.00000      -54.4648     198.68124   -14.6593

图18表示根据图17所示该光学系统的光线跟踪在出射光瞳平面(即图17中的平面23)处的波前像差。从图18中看出，校正得极好，就RMS而言为0.3λ。

接下来，来确定包含上述图17所示光学系统的全息曝光设备曝光的反射式HOE 6的性能。为此，需要比较两种光学性能：一种是在将被包含图17所示光学系统的全息曝光设备曝光的反射式HOE 6结合到本工作结构的图像显示装置的光学系统中、取代具有表10中限定的设计值的反射式HOE 6设计的情形中，图像显示装置的光学系统的光学性能；另一种是假设具有表10中定义的设计值“原样”的反射式HOE 6的情形中该图像显示装置的光学系统的光学性能。

这可以通过对作为变量的HOE 6的相位函数进行优化，使得图17所示光学系统的剩余像差就RMS而言为0λ，并评估该系数应用到表10所示图像显示装置的光学系统的透镜数据的性能来实现。图19表示结合了利用该方法进行模拟曝光后的HOE 6的图像显示装置的光学系统的横向像差；该光学系统的畸变(图像显示元件2的显示部分表面处的畸变)示于图20。

图19所示的横向像差表示与图16所示横向像差近似有相同的良好结果。另外，两种畸变近似相当。因而利用图17所示光学系统曝光的反射式HOE 6的性能与表1中所限定的反射式HOE 6设计的性能相当，因而也是很好的。

以上描述了本发明的各个工作结构以及这些工作结构的具体实例。但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利用本发明的图像合成器构成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也可以构造成允许在相机取景器、显微镜和双目望远镜的目镜部分上安置，或者这些图像合成器也可以结合到相机、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戴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的部分不叠加到两个图像上，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导入用户眼睛的光传导部分。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 (8)

1.一种图像合成器，其中安置了反射式全息光学元件，并使来自图像显示部件的光叠加到穿过主体的光上，该图像合成器的特征在于：

反射式全息光学元件具有依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用，并且

距离Rd基本上大于距离Pd，其中Rd为播放期间(制作该元件期间用于曝光反射式全息光学元件的两个光源中)位于观察者眼睛一侧上的光源与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)，Pd为图像合成器的出射光瞳与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)。

2.如权利要求1所述的图像合成器，其特征在于距离Rd是距离Pd的两倍或更大。

3.如权利要求1所述的图像合成器，其特征在于距离Rd为100mm或更大。

4.如权利要求2所述的图像合成器，其特征在于距离Rd为100mm或更大。

5.一种包括权利要求1～4任一所述图像合成器和图像显示部件的图像显示装置，其特征在于使用中在用户身上安装至少包含图像合成器的部分。

6.一种图像显示装置，包括图像显示部件和光传导部分，其中光传导部分把来自图像显示部件的光导向用户的眼睛，该图像显示装置的特征在于：

光传导部分具有反射式全息光学元件，

反射式全息光学元件具有依赖于在全息平面上的位置的三阶或更高阶相位变换作用，并且

距离Rd基本上大于距离Pd，其中Rd为播放期间(制作该元件期间用于曝光反射式全息光学元件的两个光源中)位于观察者眼睛一侧上的光源与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)，Pd为图像合成器的出射光瞳与反射式全息光学元件的全息平面之间的距离(空气中算出的距离)。

7.如权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于距离Rd是距离Pd的两倍或更大。

8.如权利要求6或7所述的图像显示装置，其特征在于距离Rd为100mm或更大。

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