CN1774661A - 光学装置以及虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

一种虚像显示装置，其通过一虚光学系统显示二维图像，以便观看对象观看所成的放大的虚像。该装置包括：光波导片(13)，用于内部全反射满足全反射条件的平行光束组并引导光；第一反射体全息光栅(14)，用于衍射和反射入射到光波导片上并且在不同方向上传播的平行光束组，使之满足全反射条件并保持为平行光束组；和第二反射体全息光栅(15)，用于衍射和反射已在光波导片内部全反射并引导的平行光束组，使得当光从光波导片中出射时不满足全反射条件。由光波导片内部全反射并引导的平行光束组中的一部分在入射到光波导片到从光波导片出射期间内全反射不同次。

Description

光学装置以及虚像显示装置

技术领域

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

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

背景技术

为观看对象观看放大的虚像，提出如图1所示的虚像观看光学系统。

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

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

为观看对象观看放大的虚像，还提出如图2所示的虚像观看光学系统。

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

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

但是，图1所示的虚像观看光学系统具有以下缺点：

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

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

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

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

通过在图1所示的虚像观看光学系统中追溯入射到光瞳上的光束来进行模拟。模拟的结果表明，即使色差被两个透射全息元件校正，仍会发生±2nm的波长漂移引起图像显示装置301上的图像光±30μm的漂移。

如果两个透射全息元件同是例如没有光功率的透射体全息光栅，会产生如下所述另外的问题。

已知在入射角为常数的情况下，透射体全息元件的衍射接收频带宽于反射体全息元件的衍射接收频带。因此，如果光源的频带较宽，或者如果每个三原色光RGB(R：红光；G：绿光；B：蓝光)的光源的波长间隔较窄(而每种色光的频带较宽的情况下)，会出现因大量衍射造成的色散，即衍射色散。

即使用于例如绿光(中心波长为550nm)的透射体全息元件也在400到630nm频带下具有大约10％的衍射效率并会部分衍射来自蓝光LED(发光二极管)(发光波长为410到490nm)以及来自红光LED(发光波长为600到660nm)的光。

衍射色散引起的色差可由光栅栅距彼此相等的两个全息元件消除。但是，如果由其中一个全息元件造成的色散较大，在光波导内传播的光束会大幅扩散，从而导致以下的问题。当已被第一全息元件衍射并在光波导内传播的大幅扩散的光束在第二全息元件处被衍射并从光波导射出时，它会在传播方向上基于它本身的波长大幅扩散并导致观看对象光瞳上的虚像的色彩不均匀性恶化。

另一方面，在反射体全息元件中，一个干涉带所具有的衍射接收频带较窄。因此，如果图像光是彩色的，可通过将每个RGB的全息层叠在一起或组合每个RGB的干涉带而使多种色彩(光波导内的全反射角)的衍射角均衡。

相反，在入射波长为常数的情况下，透射体全息元件的衍射接收角小于反射体全息元件的衍射接收角，并因此难以增加场角或光瞳305的直径。

另外，由于在图2和3所示的虚像观看光学系统中，图像显示元件401的图像中间形成在光波导403内部，所以第一HOE 404、第二HOE 405、第三HOE 406和第四HOE 407具有偏心配置(eccentric layout)的光功率。因此，还是在该虚像观看光学系统中，会与图1所示的虚像观看光学系统一样出现偏心像差。

在图2和3所示的虚像观看光学系统中，互相轴对称地设置不规则表面的棱镜402、第一HOE 404、第二HOE 405、第三HOE 406和第四HOE 407，以减少偏心像差。但是，由于每个HOE的衍射效率的上限大致为70到80％，所以四个HOE的衍射效率总和为70到80％的四次幂，因此衍射效率会显著下降。

如上所述，在具有复杂的干涉图样的全息元件中，难以通过将全息层叠置在一起或组合干涉带来提高干涉带的衍射接收。因此，无法增加光瞳直径。

另外，由于会聚光(下至中间成像)或发散光(中间成像之后)在光波导403内部传播，没有被第一反射和衍射作用衍射而是在光波导403的面内再次全反射的光束不能再用作图像显示光或图像光。因此，常规的虚像观看光学系统既不能有效地利用光，也不能放大可视范围。

发明内容

因此，本发明的一个目的是通过提供一种光学装置和虚像观看光学系统来克服相关技术的上述缺陷，其中，通过消除或减少单色像差和衍射色差来提高图像分辨率，通过减少所使用的全息元件的数量而更高效率衍射光，均匀化显示图像的色彩，并且增加光瞳直径。

根据本发明，以上目的可通过提供一种光学装置而实现，其中包括：

一光波导，所述光波导通过内部全反射平行光束组来引导满足在所述光波导内部进行内部全反射条件的光束组；

一第一反射体全息光栅，所述第一反射体全息光栅衍射和反射从外部入射到所述光波导上并如此以不同方向传播的平行光束组，使之满足所述光波导内部的内部全反射条件；以及

一第二反射体全息光栅，所述第二反射体全息光栅通过它的衍射和反射从所述光波导如此投射由所述光波导内部的内部全反射所引导的平行光束组，使之不满足所述光波导内部的内部全反射条件，

通过光波导引导的所述平行光束组中部分平行光束在从外部入射到所述光波导上到从所述光波导出射的时间内全反射不同次。

根据本发明，以上目的还可通过提供一种虚像观看光学系统而实现，其中包括：

一图像显示元件；

一准直光学系统，所述准直光学系统将来自所述图像显示元件的每个像素的光束形成为在不同方向上传播的平行光束组；

一光波导，所述光波导通过内部全反射引导满足所述光波导内部的内部全反射条件的平行光束组；

一第一反射体全息光栅，所述第一反射体全息光栅衍射和反射从外部入射到光波导上并如此以不同的方向传播的平行光束组，使之满足所述光波导内部的内部全反射条件；以及

一第二反射体全息光栅，通过所述第二反射体全息光栅的衍射和反射从所述光波导射出由所述光波导内部的内部全反射引导的平行光束组，使之不满足所述光波导内部的内部全反射条件，

引导通过光波导的平行光束组中的部分平行光束在从外部入射到所述光波导上到从所述光波导出射的时间内全反射不同次。

根据本发明，以上目的还可通过设置一种虚像观看光学系统而实现，其中包括：

发出光束的一光源；

将从所述光源发出的光束形成为一平行光束的一准直光学系统；

通过水平和垂直扫描将所述平行光束形成为在不同方向上传播的平行光束组的一扫描光学系统；

通过内部全反射引导满足所述光波导内部的内部全反射条件的平行光束组的一光波导；

一第一反射体全息光栅，所述第一反射体全息光栅衍射和反射从所述扫描光学系统入射到所述光波导上并如此在不同方向上传播的平行光束组，使之满足在所述光波导内部的内部全反射条件；以及

一第二反射体全息光栅，所述第二反射体全息光栅通过它的衍射和反射从光波导如此射出由所述光波导内部的内部全反射引导的平行光束组，使之不满足所述光波导内部的内部全反射条件，

引导通过所述光波导的平行光束组中的部分平行光束在从外部入射到所述光波导上到从所述光波导出射的时间内全反射不同次。

根据本发明，从外部入射到光波导上并在不同方向上传播的平行光束组如此被第一反射体全息光栅衍射和反射，使之满足所述光波导内部的内部全反射条件，并且在光波导内部被全反射引导的平行光束组如此被第二反射体全息光栅衍射和反射而如此从光波导射出，使之不满足所述光波导内部的内部全反射条件。

此时，由于被所述光波导内部的内部全反射引导的平行光束组中的部分平行光束在从外部入射到所述光波导上到从所述光波导出射的时间内全反射不同次，形成的光波导可以很细并在沿它的长度上足够长。

因此，根据本发明的虚像光学装置可设计得更轻、更紧凑，并且制造成本更低。另外，如果所述虚像光学装置被用作HMD(头戴式显示器)，戴在使用者头上时可显著减少可能给予使用者的不适感。

另外，根据本发明，由于只使用两个全息光栅(第一和第二全息光栅)，可以更高效率进行衍射。进一步地，由于反射体全息光栅比透射体全息光栅的衍射接收波长较小而衍射接收角较大，所以显示图像的色彩可更均匀，光瞳直径可增加。

进一步地，由于用在本发明的第一和第二反射体全息光栅不用作透镜，所以可消除单色偏心像差。另外，由于衍射接收波长较小并由此衍射色差得以减少，可在观看对象的光瞳上显示高分辨率的图像。

另外，根据本发明，记录在第一反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距与记录在第二反射体全息光栅上的相等。因此，可防止以相同波长和入射角入射的平行的光束被以不同的衍射角衍射，并且可在观看对象的光瞳上显示高分辨率的虚像。

另外，由于记录在本发明中所使用的第一和第二反射体全息光栅中的每一个上的干涉带是干涉带简单的简单衍射光栅，所以干涉带可被容易地组合在一起，每个上面都记录干涉带的全息层可又叠置在一起。由此，可在衍射接收角增加并且不出现衍射色差和色域(color gamut)减少的情况下，衍射和反射波长彼此不同的平行光束组，例如，作为三原色光的RGB(R：红光；G，绿光；B，蓝光)。

本发明的这些和其它目的、特征和优势可从以下结合附图对本发明的具体实施方式的详细描述中显见。

附图说明

图1是常规的虚像观看光学系统的侧视图。

图2是另一个常规的虚像观看光学系统的侧视图。

图3是图2所示的常规虚像观看光学系统中所包括的光波导的侧视图。

图4示出透射体全息光栅的衍射效率分布。

图5示出反射体全息光栅的衍射效率分布。

图6示出透射和反射体全息光栅的衍射效率与入射角的关系。

图7示出透射和反射体全息光栅的衍射效率与入射波长的关系。

图8是作为本发明的第一实施例的虚像显示装置的侧视图。

图9是图8中的图像显示装置中所包括的第一反射体全息光栅的侧视图。

图10是图8中的图像显示装置中所包括的第二反射体全息光栅的侧视图。

图11是作为本发明的第二实施例的虚像显示装置的侧视图。

图12是图11中的图像显示装置中所包括的第一反射体全息光栅的侧视图。

图13是图11中的图像显示装置中所包括的第二反射体全息光栅的侧视图。

图14是作为本发明的第三实施例的虚像显示装置的侧视图。

图15是图14中的图像显示装置中所包括的第一反射体全息光栅的侧视图。

图16是图14中的图像显示装置中所包括的第一反射体全息光栅的侧视图。

图17是作为本发明的第四实施例的虚像显示装置的侧视图。

图18是图17中的图像显示装置中所包括的第一反射体全息光栅的侧视图。

图19是图17中的图像显示装置中所包括的第二反射体全息光栅的侧视图。

图20是图17中的图像显示装置中所包括的第二反射体全息光栅的变型的侧视图。

图21是作为本发明的第五实施例的虚像显示装置的侧视图。

图22是作为本发明的第六实施例的虚像显示装置的侧视图。

图23是图22中的图像显示装置中所包括的第二反射体全息光栅的侧视图，示出了光栅的衍射和反射。

图24是图22中的图像显示装置中所包括的第二反射体全息光栅的侧视图。

图25是图22中的第二反射体全息光栅中所包括的全息层之一的侧视图。

图26是图22中的第二反射体全息光栅中的全息元件的变型的侧视图。

图27说明记录在图22中的第二反射体全息光栅上的干涉带的倾斜角与入射平行光束的入射角之间的关系。

图28示出在平行光束以不同角度入射到图22中的第二反射体全息光栅上时，使衍射效率最大的干涉带倾斜角的变化。

图29是作为本发明的第七实施例的图像显示装置的侧视图。

图30是作为本发明的第八实施例的图像显示装置的侧视图。

图31是作为本发明的第九实施例的图像显示装置的侧视图。

图32是作为本发明的第十实施例的图像显示装置的侧视图。

图33是作为本发明的第十一实施例的图像显示装置的侧视图。

图34是作为本发明的第十二实施例的图像显示装置的侧视图。

图35是作为本发明的第十三实施例的图像显示装置的侧视图。

图36是作为本发明的第十四实施例的图像显示装置的侧视图。

图37是作为本发明的第十五实施例的图像显示装置的侧视图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明的光学装置和虚像显示装置的实施例。

在描述本发明的实施例之前，将描述与常规的光学装置和虚像显示装置中所使用的透射体全息光栅的特性比较，每个实施例中所使用的反射体全息光栅的特性。

如前对常规技术的描述，反射体全息光栅比透射体全息光栅具有较小的衍射接收频带和衍射接收角。

下面参照图4到7详细描述。图4示出透射体全息光栅的衍射效率分布，所述透射体全息光栅通过衍射以45°角透射在折射率为1.52的介质内垂直入射的波长为550nm的平行光束，图5示出反射体全息光栅的衍射效率分布，所述反射体全息光栅以45°角衍射和反射在折射率为1.52的介质内以±5°的垂直入射角入射的平行光束组(波长为400到700nm)。

在图4和5中，阴影部分代表由入射波长和入射角限定的确保衍射效率的区域。选择每个全息元件的折射率调制(modulation)为0.05，对99％或更高的最大衍射效率选择全息层的厚度。

从分别如图4和5所示的透射和反射体全息光栅的衍射效率分布中可以看出，在同样的入射角范围内，可由反射体全息光栅衍射的光波长的变化小于可由透射体全息光栅衍射的光波长的变化，或者在同样的入射波长范围内反射体全息光栅内的衍射接收角大于透射体全息光栅内的衍射接收角。

图6和7以另外的形式示出图4和5所示的衍射效率分布。图6示出透射和反射体全息光栅的衍射效率与入射角(入射波长为550nm)的关系。注意在图6中，实线代表透射体全息光栅与入射角的关系，虚线代表反射体全息光栅与入射角的关系。从图6中显见，反射体全息光栅的衍射接收角大于透射体全息光栅的衍射接收角。

同样，图7示出透射和反射体全息光栅的衍射效率与入射波长(入射角为0°)的关系。注意在图7中，实线代表透射体全息光栅与入射波长的关系，虚线代表反射体全息光栅与入射波长的关系。从图7中显见，反射体全息光栅的衍射接收波长大于透射体全息光栅的衍射接收波长。

根据反射体全息光栅的一般特性，将解释作为本发明的具体实施方式的第一到第六实施例。

(第一实施例)

图8示出作为本发明的第一实施例的虚像显示装置。所述虚像显示装置通常由标号10指代。虚像显示装置10包括显示图像的图像显示元件11，以及将入射显示光从图像显示元件11引导到观看对象的光瞳16的虚像光学系统。

所述图像显示元件11是例如一个有机EL(电致发光)显示元件、无机EL显示元件或液晶显示元件(LCD)等。

所述虚像光学系统包括：准直光学系统12，光波导13，以及在光波导13上设置的第一反射体全息光栅14和第二反射体全息光栅15。

准直光学系统12从图像显示元件11的每个像素接收入射光束并将所述光束形成张角(angle of field)彼此不同的平行光束组。从准直光学系统12出射并且张角彼此不同的平行光束组入射到光波导13上。

光波导13是细长、平行、扁平的光波导，其主要包括：一光学表面13a，其中在所述光学表面13a的一个端部设置光入射端口13a1，而在另一端部设置一光出射端口13a2，从准直光学系统12出射并且张角彼此不同的平行光束组入射到所述光入射端口13a1上，光从所述光出射端口13a2出射；以及与光学表面13a相对的一光学表面13b。

在光波导13的光学表面13b上，在与光学表面13a上的光入射端口13a1相对的位置设置第一反射体全息光栅14，在与光学表面13a上的光出射端口13a2相对的位置设置第二反射体全息光栅15。

图9和10示出每个上面记录有干涉带的第一和第二反射体全息光栅14和15。如图9和10所示，第一和第二反射体全息光栅14和15分别在它的全息表面14S和15S上记录三类倾斜角不同的干涉带，所述倾斜角是指干涉带互相倾斜的角度。分别在全息表面14S和15S上以相同的栅距记录三类干涉带的组合。每个第一和第二反射体全息光栅14和15是衍射接收频带大约为20nm的单色全息光栅，它的衍射接收角由于记录上述倾斜角彼此不同的三类干涉带而增加。

如图9所示，第一反射体全息光栅14具有分别以倾斜角θa、θb和θc记录的多个干涉带14a、14b和14c，其中无论干涉带位置如何栅距相同。类似地，图10所示的第二反射体全息光栅15具有分别以倾斜角θa、θb和θc记录的栅距相同的多个干涉带15a、15b和15c。因此，第一和第二反射体全息光栅14和15的干涉带位于光波导13的光学表面13b上而相对垂直于光学表面13b的平面对称。

入射到光波导13的光入射端口13a1上并且张角彼此不同的平行光束组入射到上述第一反射体全息光栅14并如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束组将在光波导13的光学表面13a与光学表面13b之间被反复全反射而传播，并将入射到上述第二反射体全息光栅15上。

设置光波导13的光学表面13a和13b之间的长度和厚度以提供这样的光程长，即，使得张角彼此不同并在光波导13内传播的平行光束根据它们的张角全反射不同次直到它们到达第二反射体全息光栅15。

具体地，入射到光波导13上且朝第二反射体全息光栅15倾斜的成组平行光束中的部分(即，以较大的角度入射的平行光束)被反射的次数少于入射到光波导13上且不朝第二反射体全息光栅15倾斜的平行光束(即，以较小角度入射的平行光束)，这是因为入射到光波导13上的平行光束组的张角彼此不同。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射体全息光栅14上并由此以不同的衍射角投射，它们被以不同角度全反射。由此，当光波导13被设计为具有足够长度的细长形时，平行光束将分别被反射不同次。

张角彼此不同并入射到第二反射体全息光栅15的平行光束组被衍射和反射直至不满足全反射条件而投射在光波导13的光出射端口13a2，并入射到观看对象的光瞳16上。

如上，在光波导13的光学表面13b上设置第二反射体全息光栅15，使得其上记录的干涉带与全息表面上旋转180°后的第一反射体全息光栅14的干涉带相同的形状。因此，由于将被第二反射体全息光栅15反射的平行光束组将以与入射到第一反射体全息光栅14上的角度相等的角度反射，在光瞳16上将显示高分辨率、无模糊的显示图像。

由于设置了不用作透镜的第一和第二反射体全息光栅14和15，则虚像显示装置10可消除和减少单色偏心像差和衍射色差。

注意尽管第一和第二反射体全息光栅14和15设置成使它们的全息表面14S和15S平行于光波导13的光学表面13b，但本发明并不局限于该几何结构，而是可以使它们的全息表面14S和15S与光学表面13b成一预定角度地布置。

(第二实施例)

图11示出作为本发明的第二实施例的虚像显示装置。该虚像显示装置通常由标号20指代。作为本发明的第二实施例的虚像显示装置20显示彩色图像的虚像。注意在图11中，为便于观看视图，只主要示出中心张角方向的光束。

虚像显示装置20包括形成光源的照明光学系统30，以及将入射照明光从照明光学系统30引导到观看对象的光瞳16的虚像光学系统。

照明光学系统30包括：发出红光的LED(发光二极管)光源31R，发出绿光的光源31G，发出蓝光的光源31B，以及色彩合成棱镜32。

从LED光源31R、31G和31B发出的红光、绿光和蓝光由作为正交棱镜的色彩合成棱镜32混合成白光并投射到虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括：将从照明光学系统30发出的光形成平行光束的准直光学系统22，对来自准直光学系统22的平行光束进行空间调制的旋转反射镜21A和21B，接收将在旋转反射镜21A和21B内进行空间调制的照明光的光波导23，以及在光波导23上设置的第一反射体全息光栅24和第二反射体全息光栅25。

准直光学系统22将照明光形成平行光束并将后者发射到用作下游处的空间调制器的旋转反射镜21A。

每个旋转反射镜21A和21B的功能是作为空间调制器对来自准直光学系统22的平行光束进行空间调制。如图11所示，旋转反射镜21A绕平行于绘图平面的旋转轴A在箭头A1方向上旋转。旋转反射镜21B绕垂直于旋转轴A并垂直于绘图平面的旋转轴B在箭头B1方向上旋转。根据所要显示的图像由微型计算机(未示出)控制旋转反射镜21A和21B的旋转。

从准直光学系统22发出到旋转反射镜21A的平行光束被旋转反射镜21A在与绘图平面垂直的方向上扫描而反射向旋转反射镜21B。入射到旋转反射镜21B上的平行光束被旋转反射镜21B在与绘图平面平行的方向上扫描而成为传播方向彼此不同的平行光束组反射向光波导23。

特别注意，旋转反射镜21A和21B一起形成扫描光学系统，通过扫描来自准直光学系统22的平行光束将从准直光学系统22发出的平行光束形成为在不同方向上传播的平行光束组。

光波导23是细长、平行、扁平的光波导，主要包括：一光学表面23a，其中在所述光学表面23a的一个端部设置一光入射端口23a1，在另一端部设置一光出射端口23a2，被旋转反射镜21B反射的平行光束组入射到所述光入射端口23a1上，光从所述光出射端口23a2出射；以及与光学表面23a相对的一光学表面23b。

在光波导23的光学表面23b上，在与光学表面23a上的光入射端口23a1相对的位置设置第一反射体全息光栅24，在与光学表面23a上的光出射端口23a2相对的位置设置第二反射体全息光栅25。

另外，光波导23在它的侧部设置一透明基片26，而第一和第二反射体全息光栅24和25设置其上。在光波导23的光学表面23b与透明基片26之间，没有设置第一和第二反射体全息光栅24和25之处设有一空隙Air。

由于以上所设置的透明基片26，可保护作为全反射面的光学表面23b以及第一和第二反射体全息光栅24和25。

图12和13示出在每个上面记录有干涉带的第一和第二反射体全息光栅24和25。

如图12和13所示，每个第一和第二反射体全息光栅24和25在它上面记录主要衍射和反射红光、绿光和蓝光的三类干涉带，即，红光干涉带24R、绿光干涉带24G和蓝光干涉带24B的组合。记录这三类干涉带使得全息表面24S和25S上的光栅栅距对于同种类型的干涉带相等而不同干涉带类型之间不同。

注意第一和第二反射体全息光栅24和25可将三类干涉带的组合记录在一个全息层上，如图12和13所示，不过每种类型的干涉带，即红光干涉带24R，绿光干涉带24G和蓝光干涉带24B中的每一个可记录在一个全息层上，则各自记录有干涉带的三个全息层可叠置在一起。

如图12所示，反射体全息光栅24将多个干涉带24R、24G和24B与干涉带位置无关地以相同栅距且倾斜角度相同记录在它上面。类似地，图13所示的反射体全息光栅25具有栅距相同且倾斜角度相同的多个干涉带24R、24G和24B。因此，第一和第二反射体全息光栅24和25的干涉带位于光波导23的光学表面23b上而相对垂直于光学表面23b的平面对称。

入射到光波导23的光入射端口23a1上的平行光束组入射到上述第一反射体全息光栅24上并如此被以大致相同的角度衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束组将在光波导23的光学表面23a和23b之间被反复全反射而传播，并将入射到上述第二反射体全息光栅25上。

设置光波导23的光学表面23a和23b之间的长度和厚度以提供这样的厚度和这样足够的长度，即，使得全反射而在光波导23内部传播的平行光束根据与它们的张角全反射不同次直到它们到达第二反射体全息光栅25。

具体地，入射到光波导23上而朝第二反射体全息光栅25倾斜的成组平行光束中的一部分(即，以较大的角度入射的平行光束)被反射的次数少于入射到光波导23上而没有朝第二反射体全息光栅25倾斜的平行光束(即，以较小角度入射的平行光束)，这是由于入射到光波导23上的平行光束具有彼此不同的张角。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射体全息光栅24上并由此以不同的衍射角投射，由此，它们被以不同角度全反射。因而，当光波导23被设计为具有足够长度的细长形时，平行光束将分别被反射不同次。

张角彼此不同并入射到第二反射体全息光栅25的平行光束组被衍射和反射直至不满足全反射条件，在光波导23的光出射端口23a2出射，并入射到观看对象的光瞳16上。

如上，在光波导23的光学表面23b上设置第二反射体全息光栅25使得在它上面记录的干涉带具有与全息表面上旋转180°的第一反射体全息光栅24上的干涉带相同的形状。因此，由于将被第二反射体全息光栅25反射的平行光束组将以与入射到第一反射体全息光栅24上的角度相等的角度反射，在光瞳16上将显示高分辨率、无模糊的显示图像。

包括不用作透镜的第一和第二反射体全息光栅24和25，使得虚像显示装置20可消除单色偏心像差和衍射色差。

注意尽管第一和第二反射体全息光栅24和25设置成使它们的全息表面24S和25S平行于光波导23的光学表面23b，本发明并不局限于该几何结构，而是可以使它们的全息表面24S和25S与光学表面23b成一预定角度地布置。

(第三实施例)

图14示出作为本发明的第三实施例的虚像显示装置。该虚像显示装置通常由标号40指代。作为本发明的第三实施例的虚像显示装置40类似于如前所述的第二实施例的虚像显示装置20显示彩色图像的虚像。注意在图14中，为便于观看视图只示出中心张角方向的光束。

虚像显示装置40包括也用在第二实施例中的照明光学系统30，以及将入射照明光从照明光学系统30引导到观看对象的光瞳16的虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括：一准直光学系统22，反射来自准直光学系统22的平行光束的反射镜45，对由反射镜45所反射的平行光束进行空间调制的MEMS(微机电系统)镜41，经MEMS镜41空间调制的照明光所投射到上面的光波导43，以及光波导43上设置的一第一反射体全息光栅44和第二反射体全息光栅45。注意不会再解释已描述过的照明光学系统30和准直光学系统22。

MEMS镜41用作一扫描光学系统，通过水平和垂直扫描平行光束使平行光束形成在不同方向上传播的平行光束组。

作为传播到虚像光学系统的照明光，来自照明光学系统30的白光传播至将光形成平行光束的准直光学系统22。该平行光束投射到反射镜45。

反射镜45固定，并将来自准直光学系统22的平行光束投射到MEMS镜41。

MEMS镜41是用半导体技术制得的功能元件。它用作对入射平行光束进行空间调制的空间光学调制器。MEMS镜41可在二维方向上自由移动。它通过对入射平行光束的空间调制，即利用反射入射光束以便于在垂直于绘图平面的方向上和平行于绘图平面的方向上扫描入射光束而形成图像。根据所要显示的图像由微型计算机(未示出)控制操作MEMS镜41。

来自MEMS镜41的平行光束如此在垂直于绘图平面的方向上和平行于绘图平面的方向上被扫描而成为传播方向彼此不同的平行光束组反射向波导43。

光波导43是细长、平行、扁平的光波导，主要包括：一光学表面43b，在所述光学表面43b的一个端部设置一光入射端口43b1，被MEMS镜41反射的平行光束组入射到所述光入射端口43b1上；以及与光学表面43b相对的一光学表面43a，在光学表面43a的端部与光学表面43b相对的光入射端口43b1设置光出射端口43a1。

在光波导43的光学表面43a上与光学表面43b上的光入射端口43b1相对的位置设置第一反射体全息光栅44，在光波导43的光学表面43b上与光学表面43a上的光出射端口43a1相对的位置设置第二反射体全息光栅45。

图15和16示出在每个上面记录有干涉带的第一和第二反射体全息光栅44和45。除了第一和第二反射体全息光栅44和45分别是在设置第二和第一反射体全息光栅25和24的位置设置以外，第一和第二反射体全息光栅44和45的结构与已参照图12和13描述的第一和第二反射体全息光栅24和25的结构完全相同。

如图15和16所示，第一和第二反射体全息光栅44和45的每一个上记录三类干涉带的组合，所述三类干涉带主要衍射和反射红光、绿光和蓝光，即，红光干涉带44R、绿光干涉带44G和蓝光干涉带44B。记录这三类干涉带使得全息表面上的光栅栅距对于同种类型的干涉带相等而不同干涉带类型之间则不同。

注意第一和第二反射体全息光栅44和45可将三类干涉带的组合记录在一个全息层上，如图15和16所示，不过每种类型的干涉带，即红光干涉带44R，绿光干涉带44G和蓝光干涉带44B中的每一个可被记录在一个全息层上，而每个记录有干涉带的三个全息层可叠置在一起。

如图15所示，第一反射体全息光栅44具有与干涉带位置无关地栅距相同且倾斜相同地其上记录的多个干涉带44R、44G和44B。类似地，图16所示的第二反射体全息光栅45具有相同栅距且倾斜相同的多个干涉带45R、45G和45B。

从光波导43的光入射端口43b1入射的平行光束组入射到上述第一反射体全息光栅44上并以大致相同的角度如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束组将在被在光波导43的光学表面43a和43b之间反复全反射而传播，并将入射到上述第二反射体全息光栅45上。

设置光波导43的光学表面43a和43b之间的长度和厚度以提供这样的厚度和这样足够的长度，即，使得在光波导43内部全反射传播的平行光束根据它们的张角全反射不同次直到它们到达第二反射体全息光栅45。

具体地，入射到光波导43上而朝第二反射体全息光栅45倾斜的平行光束组中的一部分(即，以较大角度入射的平行光束)被反射的次数少于入射到光波导43上而没有朝第二反射体全息光栅45倾斜的平行光束(即，以较小角度入射的平行光束)，这是由于入射到光波导43上的平行光束组具有彼此不同的张角。即由于平行光束以不同角度入射到第一反射体全息光栅44上并由此以不同的衍射角投射，它们被以不同角度全反射。由此，当光波导43被设计为具有足够长度的细长形时，平行光束将分别被反射不同次。

张角彼此不同并入射到第二反射体全息光栅45的平行光束组被衍射和反射直至不满足全反射条件而投射在光波导43的光出射端口43a1，并入射到观看对象的光瞳16上。

如上，在光波导43的光学表面43b上设置第二反射体全息光栅45，使得在它上面记录的干涉带具有与全息表面上旋转360°的第一反射体全息光栅44上的干涉带相同的形状。因此，由于将被第二反射体全息光栅45反射的平行光束组将以与入射到第一反射体全息光栅44上的角度相等的角度反射，在光瞳16上将显示高分辨率、无模糊的显示图像。

包括不用作透镜的第一和第二反射体全息光栅44和45，使得虚像显示装置40可消除单色偏心像差和衍射色差。

注意尽管第一和第二反射体全息光栅44和45设置成使它们的全息表面44S和45S分别平行于光波导43的光学表面43a和43b，但本发明并不局限于该几何结构，而是可以使它们的全息表面44S和45S分别与光学表面43a和43b成一预定角度地布置。

(第四实施例)

图17示出作为本发明的第四实施例的虚像显示装置。该虚像显示装置通常由标号60指代。作为本发明的第四实施例的虚像显示装置60显示彩色图像的虚像。注意在图17中，为便于观看视图只主要示出中心张角方向的光束。

所述虚像显示装置60包括：一照明光学系统70，对来自照明光学系统70的照明光进行空间调制的空间光学调制器61，以及将被空间光学调制器61空间调制的入射照明光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述照明光学系统70包括：发出红光的激光光源71R，发出绿光的激光光源71G，发出蓝光的激光光源71B，色彩合成棱镜72，耦合光学系统73，斑纹减少装置(speckle reducing means)74，光纤75以及聚光透镜76。

分别从激光光源71R、71G和71B发出的红、绿、蓝光被作为正交棱镜的色彩合成棱镜72混合以提供白光，所述白光被耦合光学系统73经由斑纹减少装置74引入光纤75。透射通过光纤75并从光纤75出射的白光经由聚光透镜76照明空间光学调制器61。

空间光学调制器61是例如一透射液晶显示元件，对入射照明光进行每像素空间调制。由此被空间调制的照明光入射到虚像光学系统上。

所述虚像光学系统包括：一准直光学系统，光波导63，以及在光波导63上设置的第一和第二反射体全息光栅64和65。

准直光学系统62将由空间光学调制器61所空间调制的入射照明光形成张角彼此不同的平行光束组。来自准直光学系统62的平行光束组入射到光波导63上。

光波导63是细长、平行、扁平的光波导，主要包括：一光学表面63a，在所述光学表面63a的一个端部设置一光入射端口63a1，并在另一端部设置光出射端口63a2，来自准直光学系统62的平行光束组入射到所述光入射端口63a1上，光从所述光出射端口63a2出射；以及与光学表面63a相对的一光学表面63b。

在光波导63的光学表面63b上，在与光学表面63a上的光入射端口63a1相对的位置设置第一反射体全息光栅64，在与光学表面63a上的光出射端口63a2相对的位置设置第二反射体全息光栅65。

图18和19示出在每个上面记录有干涉带的第一和第二反射体全息光栅64和65。

如图18和19所示，第一和第二反射体全息光栅64和65分别由叠在一起的三个全息层64A、64B和64C以及叠在一起的三个全息层65A、65B和65C形成。每个反射体全息光栅的每个全息层在它上面记录主要衍射和反射红光、绿光和蓝光的干涉带。例如，第一反射体全息光栅64的全息层64A在它上面记录主要衍射和反射红光的干涉带，全息层64B在它上面记录主要衍射和反射绿光的干涉带，全息层64C在它上面记录主要衍射和反射蓝光的干涉带。第二反射体全息光栅65也是如此。

同样，为了使得对应于要被每个全息层所衍射并反射的频带的平行光束的衍射接收角更大，如第一实施例中的第一和第二反射体全息光栅14和15上所记录的干涉带中一样，记录在每个全息层上的干涉带由三类倾斜角彼此不同并在全息表面上以相同的栅距布置的干涉带组合而成。

另外，第一和第二反射体全息光栅64和65可如下构造。将参照图20解释第二反射体全息光栅65。注意尽管不会解释第一反射体全息光栅64，它在结构上与第二反射体全息光栅65完全相同。

如图20所示，第二反射体全息光栅65由三个全息层65D、全息层65E和全息层65F叠置形成。为在更宽的衍射接收波长范围衍射和反射频段彼此不同的光束，一起形成第二反射体全息光栅65的每个全息层在它上面记录三类干涉带的组合。所记录的三类干涉带在全息表面上的光栅栅距对于每类干涉带相等而不同的干涉带之间则彼此不同。即，第二反射体全息光栅65的每个全息层在它上面记录与在第二实施例中使用的第一和第二反射体全息光栅24与25上的干涉带相似的干涉带。

另外，记录在全息层65D、65E和65F上的干涉带具有倾斜角θd、θe和θf。在同一全息层内的倾斜角彼此完全相同，但为了获得更大的衍射接收角，不同的全息层之间的倾斜角彼此不同。

从光波导63的光入射端口63a1入射的平行光束组入射到上述第一反射体全息光栅64上并被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束组将在被在光波导63的光学表面63a和63b之间反复全反射而传播，并将入射到上述第二反射体全息光栅65上。

设置光波导63的光学表面63a和63b之间的长度和厚度以提供这样的厚度和这样足够的长度，即，使得在光波导63内部全反射传播的平行光束根据它们的张角全反射不同次直到它们到达第二反射体全息光栅65。

具体地，入射到光波导63上且朝第二反射体全息光栅65倾斜的平行光束组中的一部分(即，以较大角度入射的平行光束)被反射的次数少于入射到光波导63上且没有朝第二反射体全息光栅65倾斜的平行光束(即，以较小角度入射的平行光束)，这是由于入射到光波导63上的平行光束具有彼此不同的张角。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射体全息光栅64上并由此以不同的衍射角投射，它们被以不同角度全反射。由此，当光波导63被设计为具有足够长度的细长形时，平行光束将分别被反射不同次。

张角彼此不同并入射到第二反射体全息光栅65的平行光束组被衍射和反射直至不满足全反射条件，在光波导63的光出射端口63a2出射，并入射到观看对象的光瞳16上。

如上，在光波导63的光学表面63b上设置第二反射体全息光栅65，使得在它上面记录的干涉带具有与全息表面上旋转180°的第一反射体全息光栅64上的干涉带相同的形状。因此，由于将被第二反射体全息光栅65反射的平行光束组将以与入射到第一反射体全息光栅64上的角度相同的角度反射，在光瞳16上将显示高分辨率、无模糊的显示图像。

包括不用作透镜的第一和第二反射体全息光栅64和65，使得虚像显示装置60可消除单色偏心像差和衍射色差。

注意尽管第一和第二反射体全息光栅64和65设置成使它们的全息表面64S和65S平行于光波导63的光学表面63b，但本发明并不局限于该几何结构，而是可以使它们的全息表面64S和65S与光学表面63b成一预定角度地布置。

(第五实施例)

图21示出作为本发明的第五实施例的虚像显示装置。该虚像显示装置通常由标号80指代。虚像显示装置80包括显示图像的一图像显示元件81，以及将来自图像显示元件81的入射照明光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述图像显示元件81是例如一个有机EL(电致发光)显示元件、无机EL显示元件或液晶显示元件(LCD)等。

所述虚像光学系统包括：一准直光学系统82，以及包括一全息层84的一光波导83。

所述准直光学系统82从图像显示元件81的每个像素接收一光束并将该光束形成张角彼此不同的平行光束组。来自准直光学系统82并且张角彼此不同的平行光束组入射到光波导83上。

光波导83的结构是全息层84位于在透明基片83A和83B之间。光波导83是细长、平行、扁平的光波导，主要包括：一光学表面83a，在所述光学表面83b的一个端部设置一光入射端口83a1，并在另一端部设置光出射端口83a2，从准直光学系统82出射并且张角彼此不同的平行光束组入射到所述光入射端口83a1上，光从所述光出射端口83a2出射；以及与光学表面83a相对的一光学表面83b。

分别在光学表面83a和83b上设置光波导83的保护片85和86，以保护光学表面83a和83b。光学表面83b上设置的保护片86在它上面与光波导83的光入射端口83a1相同的位置设置一光罩87，以防止因图像显示元件81上显示并且被准直光学系统82放大的图像泄露到光波导83外部而减小光的利用效率。

全息层84在与光入射端口83a1相应的位置具有一第一反射体全息光栅84a，在与光出射端口83a2相应的位置具有一第二反射体全息光栅84c。全息层84的其余部分是没有记录干涉带的区域84b。

第一和第二反射体全息光栅84a和84c中的每一个具有全息表面上相同栅距的干涉带。另外，第二反射体全息光栅84c被设计为各部分之间的衍射效率不同。第二反射体全息光栅84c在接近光入射端口83a1的位置衍射效率较低，而在远离光入射端口83a1的位置衍射效率较高，使得光可被衍射和反射多次。

入射到光波导83的光入射端口83a1上并且张角彼此不同的平行光束组入射到上述第一反射体全息光栅84a上并如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束组将在光波导83的光学表面83a和83b之间反复全反射而传播，并将入射到上述第二反射体全息光栅84c上。

设置光波导83的光学表面83a和83b之间的长度和厚度以提供这样的光程长，即，使得张角彼此不同并在光波导83内传播的平行光束根据它们的张角全反射不同次直到它们到达第二反射体全息光栅84c。

更具体地，入射到光波导83上且朝第二反射体全息光栅84c倾斜的平行光束组中的一部分(即，以较大角度入射的平行光束)被反射的次数少于入射到光波导83上且没有朝第二反射体全息光栅84c倾斜的平行光束(即，以较小角度入射的平行光束)，这是由于入射到光波导83上的平行光束组具有彼此不同的张角。即由于平行光束以不同角度入射到第一反射体全息光栅84a上并由此以不同的衍射角投射，它们被以不同角度全反射。由此，当光波导83被设计为具有足够长度的细长形时，平行光束将分别被反射不同次。

张角彼此不同并入射到第二反射体全息光栅84c的平行光束组被衍射和反射直至不满足全反射条件，在光波导83的光出射端口83a2出射，并入射到观看对象的光瞳16上。

如果第二反射体全息光栅84c如本实施例中这样被设计为各部分之间的衍射效率不同，光瞳直径，即观看对象的虚像观看范围可增加。

具体地，假设第二反射体全息光栅84c的衍射效率例如在接近光入射端口83a1的位置84c1中是40％，在远离光出射端口83a2的位置84c2中是70％，入射到第二反射体全息光栅84c上的第一组平行光束在位置84c1中衍射和反射它的40％，而60％被允许通过。被允许通过的平行光束组将在光波导83内部全反射并在位置84c2处入射到第二反射体全息光栅84c上。

由于在位置84c2处的衍射效率是70％，入射到第二反射体全息光栅84c的第一组平行光束的60％被允许通过。由此，平行光束组的42％(＝0.6×0.7＝0.42)将在位置84c2中被衍射和反射。通过如上所述适当改变第二反射体全息光栅84c上各个位置之间的衍射效率，可保持来自光出射端口83a2的光量的平衡。因此，通过增加第二反射体全息光栅84c的记录干涉带的面积，可容易地提高虚像观看范围。

另外，包括不用作透镜的第一和第二反射体全息光栅84a和84c，使得虚像显示装置80可消除单色偏心像差和衍射色差。

(第六实施例)

图22示出作为本发明的第六实施例的虚像显示装置。该虚像显示装置通常由标号90指代。所述虚像显示装置90包括显示图像的一图像显示元件91，以及将来自图像显示元件91的入射照明光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述图像显示元件91是例如一个有机EL(电致发光)显示元件、无机EL显示元件或液晶显示元件(LCD)等。

所述虚像光学系统包括：一准直光学系统92，光波导93，以及在光波导93上设置的第一反射体全息光栅94和第二反射体全息光栅95。

所述准直光学系统92从图像显示元件91的每个像素接收一入射光束并将该光束形成张角彼此不同的平行光束组。从准直光学系统92出射并且张角彼此不同的平行光束组入射到光波导93上。

光波导93是细长、平行、扁平的光波导，主要包括：一光学表面93a，在所述光学表面93a的一个端部设置一光入射端口93a1，并在另一端部设置光出射端口93a2，从准直光学系统92出射并且张角彼此不同的平行光束组入射到所述光入射端口93a1上，光从所述光出射端口93a2出射；以及与光学表面93a相对的一光学表面93b。

在光波导93的光学表面93b上，在与光学表面93a上的光入射端口93a1相对的位置设置第一反射体全息光栅94，在与光学表面93a上的光出射端口93a2相对的位置设置第二反射体全息光栅95。

稍后将详细描述第一和第二反射体全息光栅94和95。

来自光波导93的光入射端口93a1并且张角彼此不同的平行光束组入射到上述第一反射体全息光栅94上并如此被衍射和反射。由此被衍射和反射的平行光束组将在被在光波导93的光学表面93a和93b之间反复全反射而传播，并将入射到上述第二反射体全息光栅95上。

设置光波导93的光学表面93a和93b之间的长度和厚度以提供这样的厚度和这样足够的长度，即，使得张角彼此不同并在光波导93内部全反射传播的平行光束根据它们的张角全反射不同次直到它们到达第二反射体全息光栅95。

更具体地，入射到光波导93上且朝第二反射体全息光栅95倾斜的平行光束组中的一部分(即，以较大角度入射的平行光束)被反射的次数少于入射到光波导93上且没有朝第二反射体全息光栅95倾斜的平行光束(即，以较小角度入射的平行光束)，这是由于入射到光波导93上的平行光束组具有彼此不同的张角。即，由于平行光束以不同角度入射到第一反射体全息光栅94上并由此以不同的衍射角投射，它们被以不同角度全反射。由此，当光波导93被设计为具有足够长度的细长形时，平行光束将分别被反射不同次。

张角彼此不同并入射到第二反射体全息光栅95的平行光束组被衍射和反射直至不满足全反射条件，投射在光波导93的光出射端口93a2，并入射到观看对象的光瞳19上。

接下来描述第一和第二反射体全息光栅94和95。

第一反射体全息光栅94的结构(未示出)与图18所描述的第四实施例中的第一反射体全息光栅64的结构完全相同。因此，第一反射体全息光栅94由干涉带栅距不同的三个全息层的叠置形成，以便衍射和反射红、绿、蓝光。为了获得更大的张角，每个全息层由三类倾斜角彼此不同并在全息表面上具有相同的栅距的干涉带的组合形成。

由此，第一反射体全息光栅94可衍射和反射从图像显示元件91出射并由准直光学系统92准直至水平张角为大约±10°的平行光束，使得满足光波导93的全反射条件。

由第一反射体全息光栅94衍射和反射的平行光束组在光波导93内部传播且分别以不同的角度全反射。因此，所述平行光束将以不同角度入射到第二反射体全息光栅95上。

图23示出由第一反射体全息光栅94衍射和反射、在光波导93内部全反射并入射到第二反射体全息光栅95上的平行光束组。根据如图23所示的入射位置，所述平行光束组以不同的入射角入射到第二反射体全息光栅95上。

更具体地，以大角度内部全反射引导并且其张角使得该光束内部全反射的次数较少的平行光束LL，以及以小角度内部全反射引导并且其张角使得该光束内部全反射的次数较多的平行光束LS，两者都入射到第二反射体全息光栅95接近第一反射体全息光栅94的位置上。

注意由图23中的虚线所指代的平行光束是平行光束LM，所述平行光束LM以介于以大角度内部全反射引导的平行光束LL与以小角度内部全反射引导的平行光束LS的角度之间的一角度内部全反射引导。

另一方面，主要为以小角度内部全反射引导的平行光束LS入射到第二反射体全息光栅95远离第一反射体全息光栅94的位置上。

即，入射到第二反射体全息光栅95的每个位置上的平行光束的入射角将确定至一定范围。例如，这里假设第二反射体全息光栅95上记录均匀衍射和反射以在任何位置(如第一反射体全息光栅94)上均具有一定范围的角度入射的平行光束的干涉带。这有效增加光瞳直径，不过如果光瞳具有固定的直径，入射到光瞳16上的光的量将减少，提供给观看对象的显示图像会非常暗。

由于这个原因，基于平行光束的入射角根据入射位置而变化的现象，设计第二反射体全息光栅95，在上面记录干涉带使得以与它的入射位置相关的角度入射的平行光束将以最大的效率被衍射。

例如，第二反射体全息光栅95由全息层95A、95B和95C的叠置形成，每个全息层95A、95B和95C具有如图24所示的干涉带。三个全息层95A、95B和95C在它上面记录光栅栅距彼此不同的干涉带，以分别主要衍射和反射红、绿、蓝光。

接下来，将参照图25解释图24所示的第二反射体全息光栅95的全息层95C上所记录的干涉带。这里将不解释记录在全息层95A和95B上的干涉带，因为除了以与全息层95C上记录的干涉带的光栅栅距不同的光栅栅距记录它们以外，它们与全息层95C上所记录的干涉带类似。另外应注意，在图25中，当在光波导93上设置第一反射体全息光栅94时，全息层95C的接近第一反射体全息光栅94的一侧为“R”侧，与该“R”侧相对的一侧为“L”侧。

在全息层95C的R侧，为更高效率地衍射以大角度入射的平行光束，倾斜角θR较小的干涉带95R被记录到区域R。同样，在L侧，为更高效率地衍射以小角度入射的平行光束，倾斜角θL较大的干涉带95L被记录到区域L。倾斜角θM介于倾斜角θR与θL之间的干涉带95M被记录在R和L侧之间的区域M中。

如上所述干涉带95R、95L和95M的倾斜角彼此不同。但是，它们以相同的光栅栅距布置在全息表面95CS上。除非所有干涉带以相同的光栅栅距布置，否则以相同波长相同的角度入射的平行光束将以不同衍射角衍射和反射。到达观看对象的光瞳16的这些平行光束将形成低分辨率的、失焦的图像。

除了对于衍射和反射频带与主要由全息层95C衍射和反射的平行光束的衍射和反射频带不同的平行光束而改变了光栅栅距以外，如同全息层95C中，记录在每个全息层95A和95B上的干涉带是角度彼此不同的三类干涉带的组合。

图25所示的全息层95C上记录三类干涉带的组合。但应注意，如图26所示的分别记录干涉带95R、95L和95M的全息元件的叠置提供完全相同的效果。

在图26所示的全息层95C中，全息层95CR、95CL和95CM上分别记录干涉带95R、95L和95M，并且全息层95CM叠置在水平放置的全息层95CR和95CR之间的中间位置。

如上所述，通过改变记录在第二反射体全息光栅95中所包括的全息层的每个区域R、L和M上记录的干涉带的倾斜角，可根据入射平行光束入射角实现最大效率的衍射。由此，下面将以图27所示的反射体全息光栅96为例解释具有最大衍射效率的干涉带的倾斜角。

为便于解释倾斜角，假设图27所示的反射体全息光栅96代替在图25所示的虚像显示装置90中的第二反射体全息光栅95，并且依据反射体全息光栅具有可逆性的现象，上溯光束而从观看对象的光瞳16开始。即，给出的解释将基于以下假设：从虚设(virtually provided)的图像显示元件投射的显示光由准直光学系统准直成水平张角大约±10°的平行光束，并入射到图27所示的反射体全息光栅96上。在这种情况中，入射到反射体全息光栅96上的入射光与由第二反射体全息光栅95衍射和反射的光对应，并且由反射体全息光栅96衍射和反射的光与入射到第二反射体全息光栅95上的入射光对应。

如果水平张角大约±10°的平行光束入射到反射体全息光栅96上，为衍射和反射所有入射光束以满足光波导93内全反射条件，中心张角入射的平行光束Lp以0°入射时，衍射和反射角必须为55到60°。

即，当平行光束Lp以0°入射而衍射和反射角在55到60°的范围以外时，以±10°范围以内的除0°角以外的角度入射的部分平行光束将在光波导93内以不满足全反射条件的角度衍射和反射。

这里假设在图27所示的反射体全息光栅96的全息区域96M中，记录了以55到60°的角度θk衍射和反射0°角入射到全息区域96M上的平行光束Lp的干涉带。注意衍射和反射的角度θk由图27所示的坐标系定义的投射衍射角所代表。角度θs为120到125°。

入射到记录有上述干涉带的全息区域96M上的入射角θr与投射衍射角θs可由如下方程式(1)给出：

sinθs＝sinθr+λ/Λp                           .......(1)

其中λ为入射平行光束的波长，而Λp是全息表面上干涉带的光栅栅距。

另外，如果所记录干涉带的光栅栅距Λp满足方程式(1)，当平行光束以角度θr入射并以角度θs衍射和反射时衍射效率最大的干涉带的倾斜角φ0可基于布拉格(Bragg)条件由如下方程式给出：

φ0＝(θs+θr)/2                           ........(2)

由于当平行光束被干涉带镜面反射时，以角度θ入射并以角度θs衍射和反射的平行光束以最大的效率被衍射，所以角度φ0也由方程式(2)给出。

这里注意为保持反射体全息光栅的光栅衍射效率最大，入射角的许可范围通常为0±3°，如图6所示。因此，对于入射角度大于或小于上述角度的任何平行光束，必须记录以不同角度倾斜的新的干涉带以获得最大效率的衍射和反射。

此时，记录的新干涉带的光栅栅距必须与已有的干涉带相同。如果干涉带的光栅栅距改变，当相同波长的平行光束以相同的角度入射时，投射衍射角会在各个干涉带改变，从而导致分辨率下降。

下面考虑除了记录在全息区域96M中的干涉带以外的记录到反射体全息光栅96的干涉带。具体地，假设当波长λ的平行光束以在±10°左右范围内的角度θc入射时，新记录以角度θc′发射和衍射的干涉带。新的干涉带的光栅栅距应与先前记录在全息区域96M中的干涉带的Λp相同。

此时，投射和衍射角θc′为sinθc′＝sinθc+λ/Λp∶(λ/Λp＝C)，并可由以下方程式(3)给出：

θc′＝arc sin(sinθc+C)                         .........(3)

此时，衍射效率最大时的倾斜角φc为φc＝(θc′+θc)/2，并因此可由以下方程式(4)给出：

φc＝{arc sin(sinθc+C)+θc}/2                   ........(4)

其中C＝λ/Λp

图28示出在平行光束以在大约±10°范围内变化的角度θc入射时，用上述方程式(4)绘出的衍射效率最大的干涉带的倾斜角φc的变化图。光栅栅距Λp可由方程式(1)计算。在图28中，虚线A代表当以0°的入射角θr和125°的投射和衍射角θs来确定光栅栅距Λp时，以角度θc入射的平行光束衍射效率最大时的倾斜角φc。图28中的实线B代表当光栅栅距Λp由0°的入射角θr及120°的投射和衍射角θs确定时，以角度θc入射的平行光束衍射效率最大时的倾斜角φc。

如图28所示，衍射效率最大时的倾斜角φc在平行光束以负向(negative-going)张角入射时较大，而在平行光束以正向(positive-going)张角入射时较小。

如图27所示为例，当倾斜角θc小于记录在全息区域96M中的干涉带的倾斜角的干涉带以光栅栅距Λp记录在反射体全息光栅96的全息区域96R中时，以正向张角入射的平行光束可以最大效率被衍射。

同样，当倾斜角θc大于记录在全息区域96M中的干涉带的倾斜角的干涉带以光栅栅距Λp记录在反射体全息光栅96的全息区域96L中时，以负向张角入射的平行光束可以最大效率被衍射。

因此，图24所示的虚像显示装置90中所包括的第二反射体全息光栅95可在接近第一反射体全息光栅94的干涉带的倾斜角减少而远离第一反射体全息光栅94的干涉带的倾斜角增加的情况下，提供非常有效的衍射和反射。由此，作为虚像入射到预定直径的光瞳的图像光光量可显著增加。

设置有不用作透镜的第一和第二反射体全息光栅94和95的虚像显示装置90可消除单色偏心像差和衍射色差。

注意尽管第一和第二反射体全息光栅94和95设置成使它们的全息表面94S和95S分别平行于光波导93的光学表面93b，但本发明并不局限于该几何结构，而是可以使它们的全息表面94S和95S与光学表面93b成一预定角度地布置。

由于如本发明的第一到第六实施例已述的虚像光学装置中所包括的光波导可设计得更细长，所以用作HMD(头戴式显示器)的该虚像显示装置对配戴HMD的观看对象来说不适度显著降低。

注意尽管前已描述和示出本发明的第一到第六实施例分别具有均为细长、平行、扁平的光波导13、23、43、63、83和93，本发明并不局限于任何细长的光波导，而可以为略微弯曲的光波导，其效果与平行、扁平的光波导等同。

另外，在前述本发明的第一到第六实施例中，为装置更轻更紧凑，准直光学系统可由例如反射光学元件和光学透镜的组合形成。将描述本发明的第七到第十五实施例，为了提高图像显示装置的分辨率并使整个装置更轻更紧凑，其中采用紧凑并且场曲极小的准直器。

(第七实施例)

图29示出作为本发明的第七实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号100指代。

图像显示装置100包括：一照明光源101，反射从照明光源101发出的照明光并对光进行空间调制的反射空间光学调制器104，以及接受经反射空间光学调制器104空间调制的照明光并将其引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述反射空间光学调制器104是例如一反射液晶显示元件等，并且它对入射照明光进行每像素空间调制。经过空间调制的照明光入射在虚像光学系统上。

所述虚像光学系统包括：一准直光学系统，光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

第一和第二反射全息元件123和124的设计与例如图5、6和7中所示的第一和第二反射体全息光栅14和15类似。

注意第一和第二反射全息元件123和124的结构可与例如图8、9和10中所示的第一和第二反射体全息光栅24和25类似。它们的结构也可与图11、12和13中所示的第一和第二反射体全息光栅44和45类似。另外，它们的结构还可与图14、15和16中所示的第一和第二反射体全息光栅64和65类似。同样，它们的结构还可与图20、21和24所示的第一和第二反射体全息光栅94、95的96类似。

所述准直光学系统包括：作为反射光学元件反射来自反射空间光学调制器104的光的一非球面凹面镜107，作为光学透镜折射来自非球面凹面镜107的光的非球面光学透镜108，位于反射空间光学调制器104和非球面凹面镜107之间的偏振光分束器(polarizing beam splitter PBS)110，以及位于偏振光分束器110与非球面凹面镜107之间的四分之一波片105。该准直光学系统将在反射空间光学调制器104的反射面上的任意位置反射的光投射为自非球面光学透镜108射出的平行光束组。

所述偏振光分束器110包括由聚合物膜形成的偏振选择反射表面103，其作为偏振光选择器用以允许P偏振光通过并反射S偏振光。

照明光源101、反射空间光学调制器104、非球面凹面镜107和非球面光学透镜108分别位于偏振光分束器110的四个光学表面附近或与其紧密接触。在照明光源101和偏振光分束器110之间提供偏振片102。

从照明光源101出射的照明光由偏振片102检为S偏振光而射向偏振光分束器110的偏振选择反射表面103，并且该光的大部分被偏振选择反射表面103反射。由此被反射的该照明光照明反射空间光学调制器104，在所述反射空间光学调制器104会以原有的入射偏振方向或以旋转90°的入射偏振方向反射。

如果已经以原有的偏振方向反射照明光，它会在偏振选择反射表面103上被再次反射并返回照明光源101。另一方面，偏振方向被旋转90°并成为P偏振光射向偏振选择反射表面103的光经过偏振选择反射表面103并被非球面凹面镜107反射。

在这种情况中，在非球面凹面镜107和偏振光分束器110之间设置四分之一波片105，以将由非球面凹面镜107所反射的光的偏振方向旋转90°，并且所述光作为S偏振光再次入射到偏振选择反射表面103上。由此该光在该偏振选择反射表面103上被反射。光从偏振光分束器110出射并通过非球面光学透镜108入射到光波导120上。

为在光波导120内进行全反射，入射到光波导120上的光被第一反射全息元件123衍射并反射，并全反射而传播通过光波导120。光由在另一端部设置的第二反射全息元件124衍射并反射直至不满足全反射条件，从光波导120出射而入射到观看对象的光瞳16上。

此时，从反射空间光学调制器104出射的发散光由于组合使用非球面凹面镜107和非球面光学透镜108而形成场曲非常小的平行光束组。

根据本发明的图像显示装置100包括：反射空间光学调制器104，将从反射空间光学调制器104反射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过在波导光学系统内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过由作为反射光学元件的非球面凹面镜107与作为光学透镜的非球面光学透镜108的组合形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

(第八实施例)

图30示出作为本发明的第八实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号130指代。所述图像显示装置130包括：显示图像的一照明光源101，通过对从照明光源101发出的照明光进行每像素调制而显示图像的作为图像显示元件的透射液晶图像显示元件134，以及接收由透射液晶图像显示元件134空间调制的照明光并将其引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

透射液晶图像显示元件134是对入射照明光进行每像素空间调制的例如透射液晶图像显示元件等。被空间调制的照明光将入射到虚像光学系统上。

所述虚像光学系统包括：一准直光学系统，光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

所述准直光学系统包括：作为第一反射光学元件反射从透射液晶图像显示元件134出射的光的一平面镜139，作为第二透射光学元件再次反射由平面镜139反射的光的非球面凹面镜107，作为光学透镜折射由非球面凹面镜107反射的光的非球面光学透镜108，在平面镜139与非球面凹面镜107之间设置的偏振光分束器110，在平面镜139与偏振光分束器110之间设置的第一四分之一波片135，以及在偏振光分束器110与非球面凹面镜107之间设置的第二四分之一波片136。准直光学系统将从透射液晶图像显示元件134的图像显示表面上的任意位置出射的光投射为自非球面光学透镜108射出的一组平行光束。

透射液晶图像显示元件134、平面镜139、非球面凹面镜107和非球面光学透镜108分别位于偏振光分束器110的四个光学表面附近或与其紧密接触。在透射液晶图像显示元件134与偏振光分束器110之间设置一光波导120。

从照明光源101发出的照明光照明透射液晶图像显示元件134，从透射液晶图像显示元件134出射的光由偏振片102检为S偏振光而射向偏振光分束器110的偏振选择反射表面103。该S偏振光的大部分被偏振选择反射表面103反射。

被反射的照明光被与第一四分之一波片135紧密接触的平面镜139再次反射，并再次入射到偏振选择反射表面103上。此时，由于该照明光已被第一四分之一波片135转换成P偏振光，它会通过偏振选择反射表面103并被非球面凹面镜107反射。

在这种情况中，在非球面凹面镜107与偏振光分束器110之间设置第二四分之一波片136，其使被非球面凹面镜107反射的光的偏振方向旋转90°，并且该光成为S偏振光而再次入射在偏振选择反射表面103上。由此该光在该偏振选择反射表面103上被反射。该光被从偏振光分束器110出射并通过非球面光学透镜108入射到光波导120上。

为在光波导120内进行全反射，入射到光波导120的光被第一反射全息元件123衍射并反射，并全反射而传播通过光波导120。该光由在另一端部设置的第二反射全息元件124衍射并反射直至不满足全反射条件，从光波导120投射而入射到观看对象的光瞳16上。

此时，从透射液晶图像显示元件134出射的发散光被非球面凹面镜107和非球面光学透镜108的组合形成场曲非常小的平行光束组。

根据本发明的图像显示装置130包括：作为图像显示元件的透射液晶图像显示元件134，将从透射液晶图像显示元件134出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过在波导光学系统内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过由作为反射光学元件的非球面凹面镜107与作为光学透镜的非球面光学透镜108的组合而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

(第九实施例)

图31示出作为本发明的第九实施例的虚像显示装置。该虚像显示装置通常由标号140指代。所述虚像显示装置140包括：显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述图像显示元件144是例如一个有机EL(电致发光)显示元件、无机EL显示元件或液晶显示元件(LCD)等。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。所述波导光学系统包括：一光波导150，在光波导150的一个端部设置的反射镜153，以及在另一端部设置并互相平行的一组半透明镜(translucent mirror)154。虚像光学系统在它的内部全反射入射的平行光束组，然后将全反射的平行光束组投射到外部。

所述准直光学系统包括：作为反射光学元件反射来自图像显示元件144的光的一非球面凹面镜107，作为光学透镜折射来自非球面凹面镜107的光的非球面光学透镜108，位于图像显示元件144与非球面凹面镜107之间的偏振光分束器110(PBS)，以及位于偏振光分束器110与非球面凹面镜107之间的一四分之一波片105。该准直光学系统将来自图像显示元件144的反射表面上任意位置的光投射为自非球面光学透镜108射出的平行光束组。

图像显示元件144、非球面凹面镜107和非球面光学透镜108分别位于偏振光分束器110的三个光学表面附近或与其紧密接触。在图像显示元件144与偏振光分束器110之间提供偏振片102。

从图像显示元件144出射的光被偏振片102检为P偏振光而射向偏振光分束器110的偏振选择反射表面103。该P偏振光的大部分被偏振选择反射表面103允许通过。通过的光被与四分之一波片105紧密接触的非球面凹面镜107反射并再次入射到偏振选择反射表面103上。此时，由于该光已被四分之一波片105转换成S偏振光，所以它被偏振选择反射表面103反射。该光从偏振光分束器110出射并通过非球面光学透镜108入射到光波导150上。

入射到光波导150上的光被反射镜153反射而在光波导150内部全反射，并在被在光波导150内部全反射传播。然后，它由在另一端部设置并互相平行的一组半透明镜154反射直至不满足全反射条件，从光波导150出射并入射到观看对象的光瞳16上。

此时，从图像显示元件144出射的发散光由于组合使用非球面凹面镜107和非球面光学透镜108而形成场曲非常小的平行光束组。

根据本发明的虚像显示装置140包括：一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过在波导光学系统内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过由作为反射光学元件的非球面凹面镜107与作为光学透镜的非球面光学透镜108的组合而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

(第十实施例)

图32示出作为本发明的第十实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号160指代。所述图像显示装置160包括显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。所述波导光学系统包括一光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

所述准直光学系统包括：作为反射光学元件反射来自图像显示元件144的光的一非球面凹面镜107，作为光学透镜折射来自非球面凹面镜107的光的非球面光学透镜108，位于图像显示元件144与非球面凹面镜107之间的偏振光分束器110，以及位于偏振光分束器110与非球面凹面镜107之间的一四分之一波片105。该准直光学系统将从图像显示元件144的反射表面上任意位置投射的光投射为自非球面光学透镜108射出的平行光束组。

图像显示元件144、非球面凹面镜107和非球面光学透镜108分别位于偏振光分束器110的三个光学表面附近或与其紧密接触。在图像显示元件144与偏振光分束器110之间提供偏振片102。

从图像显示元件144出射的光被偏振片102检为P偏振光而射向偏振光分束器110的偏振选择反射表面103。该P偏振光的大部分被偏振选择反射表面103允许通过。通过的光被与四分之一波片105紧密接触的非球面凹面镜107反射，并再次入射到偏振选择反射表面103上。此时，由于该光已被四分之一波片105转换成S偏振光，所以它被偏振选择反射表面103反射。该光通过非球面光学透镜108入射到光波导120上。

入射到光波导120上的光被第一反射全息元件123反射而在光波导120内部全反射，并在光波导120内部全反射传播。然后，它由在另一端部设置的第二反射全息元件124反射直至不满足全反射条件，从光波导120投射并入射到观看对象的光瞳16上。

此时，从图像显示元件144出射的发散光由于组合使用非球面凹面镜107和非球面光学透镜108而形成场曲非常小的平行光束组。

根据本发明的图像显示装置160包括：一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过在波导光学系统内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过由作为反射光学元件的非球面凹面镜107与作为光学透镜的非球面光学透镜108的组合而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

(第十一实施例)

图33示出作为本发明的第十一实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号170指代。所述图像显示装置170包括显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。所述波导光学系统包括一光波导150，在光波导150的一个端部设置的反射镜153，以及在另一端部设置并互相平行的一组半透明镜154。虚像光学系统在它的内部全反射入射的平行光束组，然后将全反射的平行光束组投射到外部。

所述准直光学系统包括具有至少一个全反射面的棱镜180。所述准直光学系统是将从图像显示元件144的图像显示表面上的任意位置投射的光投射为平行光束组的光学系统。

所述棱镜180包括：在来自图像显示元件144的显示光入射的光入射侧设置并且没有旋转对称轴的第一光学表面181；在光出射侧设置并且用于内部全反射和折射的第二光学表面182；以及作为第三光学表面的用于全反射的铝制反射表面183。

从图像显示元件144出射的光束首先入射到由没有旋转对称轴的光学表面形成的棱镜180上、第一光学表面181上。入射到棱镜180内的光束在第二光学表面182上内部反射，然后在铝制反射表面183上反射，并再次入射到第二光学表面182上。此时，入射光束不满足内部全反射条件，因此它会被折射并通过第二光学表面182而入射到光波导120上。

入射到光波导150上的光被反射镜153反射以在光波导150内部全反射，并在光波导150内部全反射传播。然后，它由在另一端部设置并互相平行的一组半透明镜154反射直至不满足全反射条件，从光波导150出射并入射到观看对象的光瞳16上。

此时，从图像显示元件144出射的发散光被作为反射表面的第二光学表面182和铝制反射表面183以及作为折射表面的第一和第二光学表面181和182的组合形成场曲非常小的平行光束组。

根据本发明的图像显示装置170包括一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过组合作为反射光学元件的铝制反射表面183与作为光学透镜的第一和第二光学表面181和182而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

另外，根据本发明的图像显示装置170，通过在准直光学系统中提供具有至少一个全反射面的棱镜180，准直光学系统可设计得更短、更紧凑，并且图像显示装置170本身也可设计得更紧凑。

(第十二实施例)

图34示出作为本发明的第十二实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号190指代。

所述图像显示装置190包括：显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。所述波导光学系统包括一光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

所述准直光学系统包括：具有至少一个全反射面的棱镜200，以及一光学透镜191。准直光学系统是将从图像显示元件144的图像显示表面上的任意位置投射的光投射为平行光束组的光学系统。

所述光学透镜191具有设置于棱镜200的第一光学表面192以及设置于光波导120的第二光学表面193。

所述棱镜200包括：在来自图像显示元件144的显示光所入射上的光入射侧设置并且没有旋转对称轴的第一光学表面201；在光出射侧设置并且没有旋转对称轴的第二光学表面202；以及作为第三光学表面的用于全反射的铝制反射表面203。

从图像显示元件144出射的光束入射到由没有旋转对称轴的光学表面形成的棱镜200上、在第一光学表面201上。入射到棱镜200内的光束在虚像显示装置202上被反射，然后折射并通过第二光学表面202并通过光学透镜191的第一和第二光学表面192和193入射到光波导120上。

入射到光波导120上的光被第一反射全息元件123反射而以在光波导120内部全反射，并在光波导120内部全反射传播。然后，它由在另一端部设置的第二反射全息元件124反射直至不满足全反射条件，从光波导120投射并入射到观看对象的光瞳16上。

此时，从图像显示元件144出射的发散光被铝涂层反射表面203和作为折射表面的第一和第二光学表面201和202以及光学透镜191的第一和第二光学表面192和193的组合形成场曲非常小的平行光束组。

根据本发明的图像显示装置190包括：一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过组合作为反射光学元件的铝制反射表面203及作为光学透镜的第一和第二光学表面201和202以及光学透镜191而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

另外，通过在根据本发明的图像显示装置190的准直光学系统中提供具有至少一个全反射面的棱镜200，准直光学系统可设计得更短、更紧凑，图像显示装置190本身也可设计得更紧凑。

(第十三实施例)

图35示出作为本发明的第十三实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号210指代。

所述图像显示装置210包括显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。

所述波导光学系统包括：一光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

所述准直光学系统包括：具有至少一个全反射面的三角棱镜220，位于图像显示元件144与三角棱镜220之间的第一光学透镜211，以及位于三角棱镜220与光波导120之间的第二光学透镜212。准直光学系统是将从图像显示元件144的图像显示表面上的任意位置投射的光投射为平行光束组的光学系统。

所述三角棱镜220具有在来自图像显示元件144的显示光入射的光入射侧设置并且没有旋转对称轴的第一光学表面221，作为第二光学表面全反射所述光束的反射表面222，以及在光的出射侧设置的第三光学表面223。

从图像显示元件144出射的光束首先通过第一光学透镜211入射到由面所限定的三角棱镜220上、在第一光学表面221上。入射到三角棱镜220内的光束在反射表面222上被反射，然后通过第三光学表面223，并通过第二光学透镜212入射到光波导120上。

入射到光波导120上的光被第一反射全息元件123反射以在光波导120内部全反射，并在光波导120内部全反射传播。然后，该光束由在另一端部设置的第二反射全息元件124反射直至不满足全反射条件，从光波导120投射并入射到观看对象的光瞳16上。

根据本发明的图像显示装置210包括：一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过组合作为反射光学元件的反射表面222与作为光学透镜的第一和第三光学表面221和223以及第一和第二光学透镜211和212而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

另外，通过在根据本发明的图像显示装置210的准直光学系统中提供具有至少一个全反射面的三角棱镜220，准直光学系统可设计得更短、更紧凑，图像显示装置210本身也可设计得更紧凑。

(第十四实施例)

图36示出作为本发明的第十四实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号230指代。

所述图像显示装置230包括：显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。所述波导光学系统包括：一光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

所述准直光学系统包括：全反射入射光束的一平面镜235，位于图像显示元件144与平面镜235之间的第一和第二光学透镜231和232，以及位于平面镜235与光波导120之间的第三光学透镜233。

从图像显示元件144出射的光束经过第一和第二光学透镜231和232，被平面镜235反射，然后通过第三光学透镜233入射到光波导120上。

入射到光波导120上的光束被第一反射全息元件123反射以在光波导120内部全反射，并在光波导120内部全反射传播。然后，所述光束由在另一端部设置的第二反射全息元件124反射直至不满足全反射条件，从光波导120投射并入射到观看对象的光瞳16上。

根据本发明的图像显示装置230包括：一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过组合作为反射光学元件的平面镜235与第一到第三光学表面231、232和233而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

另外，通过在根据本发明的图像显示装置230的准直光学系统中提供具有至少一个全反射面的平面镜235，准直光学系统可设计得更短、更紧凑，图像显示装置230本身也可设计得更紧凑。

(第十五实施例)

图37示出作为本发明的第十五实施例的图像显示装置。该图像显示装置通常由标号240指代。

所述图像显示装置240包括：显示图像的一图像显示元件144，以及将显示在图像显示元件144上的入射显示光引导到观看对象的光瞳16的一虚像光学系统。

所述虚像光学系统包括一准直光学系统和波导光学系统。所述波导光学系统包括：一光波导120，以及在光波导120上设置的第一和第二反射全息元件123和124。

所述准直光学系统包括：具有至少一个全反射面的三角棱镜250，位于图像显示元件144与三角棱镜250之间的第一光学元件241，以及位于三角棱镜250与光波导120之间的第二光学元件242。准直光学系统是将从图像显示元件144的图像显示表面上的任意位置投射的光投射为平行光束组的光学系统。

所述三角棱镜250具有：在来自图像显示元件144的显示光入射的光入射侧设置的第一光学表面251；在光出射侧设置并且用于内部全反射和折射的第二光学表面252；以及作为第三光学表面的全反射所述光束的铝涂层反射表面253。

从图像显示元件144出射的光束经过第一光学元件241，并首先通过第一光学透镜241入射到由平面所限定的三角棱镜250上、在第一光学表面251上。入射到三角棱镜250内的光束被在作为内部全反射面的第二光学表面252上反射，然后被铝涂层反射表面253再次反射。所反射的光再次入射到第二光学表面252上。但是，此时所反射的光不满足全反射条件。因此，它通过第二光学表面252然后通过第二光学透镜242入射到光波导120上。

入射到光波导120上的光束被第一反射全息元件123衍射和反射以在光波导120内部全反射，并在光波导120内部全反射传播。然后，所述光束由在另一端部设置的第二反射全息元件124反射直至不满足全反射条件，从光波导120投射并入射到观看对象的光瞳16上。

根据本发明的图像显示装置240包括：一图像显示元件144，将从图像显示元件144出射的光形成平行光束组的准直光学系统，以及通过内部全反射并引导从准直光学系统出射的平行光束组的波导光学系统。通过组合作为反射光学元件的铝涂层反射表面253与作为光学透镜的第一和第二光学表面251和252以及第一和第二光学透镜241和242而形成准直光学系统，可使得准直器紧凑并且其场曲非常小，以提高图像显示装置的图像分辨率并使整个装置更轻、更紧凑。

另外，通过在根据本发明的图像显示装置240的准直光学系统中提供具有至少一个全反射面的三角棱镜250，准直光学系统可设计得更短、更紧凑，图像显示装置240本身也可设计得更紧凑。

如前所述，参照附图根据本发明作为例子的特定优选实施例详细描述了本发明。但是，本领域技术人员应理解在不不满足本发明所附权利要求所阐释和限定的本发明的范围和精神的情况下，本发明并不局限于这些实施例而是可以各种方式修改，以替代方式构造或以各种其它形式实施。

Claims (74)

1.一种光学装置，包括：

一光波导，其通过内部全反射平行光束组来引导满足所述光波导内部的内部全反射条件的平行光束组；

一第一反射体全息光栅，其衍射和反射从外部入射到所述光波导上并在不同方向上传播的所述平行光束组，使得所述平行光束组满足所述光波导内部的内部全反射条件；以及

一第二反射体全息光栅，其通过衍射和反射而从所述光波导射出由所述光波导内部的内部全反射所引导的所述平行光束组，使得所述平行光束组不满足所述光波导内部的内部全反射条件，

通过光波导引导的所述平行光束组中的部分平行光束在从外部入射到所述光波导到从所述光波导出射的时间内全反射不同次。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，记录在所述第一反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距等于记录在所述第二反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，设置所述第一和第二反射体全息光栅，使它们的全息面与所述平行光束组在所述光波导内部全反射的一全反射表面平行。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述第一和第二反射体全息光栅上记录有具有预定的倾斜角并且彼此相同的多个干涉带；并且

设置所述第一和第二反射体全息光栅，使得其上记录的所述多个干涉带相对于一预定的对称面彼此对称。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第二反射体全息光栅多次衍射反射入射平行光束组中的部分平行光束，使得在每次衍射和反射时从所述光波导射出所述平行光束。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述第一反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层以大致相同的衍射和反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层以大致相同的衍射和反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组。

7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述第一反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第一反射体全息光栅以大致相同的反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第二反射体全息光栅以大致相同的反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组。

9.根据权利要求8所述的光学装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

10.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述第一反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

12.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述第一反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第一反射体全息光栅根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第二反射体全息光栅根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组。

13.根据权利要求12所述的光学装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

14.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述第二反射体全息光栅在所述第一反射体全息光栅附近具有一第一区域，在所述第一区域中记录具有小于一第一倾斜角的一第二倾斜角的多个干涉带，其中所述第一倾斜角是使垂直于所述第二反射体全息光栅衍射和反射的平行光束组的衍射效率最大化的干涉带的倾斜角，以便最大效率地衍射所述入射平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅在远离所述第一反射体全息光栅处具有一第二区域，在所述第二区域中记录具有大于所述第一倾斜角的一第三倾斜角的多个干涉带，以便最大效率地衍射所述入射平行光束组。

15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，在所述第二反射体全息光栅的中部设置有一第三区域，所述第三区域中记录至少一个具有所述第二倾斜角的干涉带以及至少一个具有所述第三倾斜角的干涉带。

16.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述光波导形成有插入到多个层叠的透明基片中的任意两个透明基片之间的至少一个全息层；并且

在所述全息层上形成所述第一和第二反射体全息光栅。

17.根据权利要求16所述的光学装置，其中，所述全息层的未形成所述第一和第二反射体全息光栅的区域。

18.一种虚像显示装置，包括：

一图像显示元件；

一准直光学系统，其将来自所述图像显示元件的每个像素的光束形成为在不同方向上传播的平行光束组；

一光波导，其通过内部全反射来引导满足所述光波导内部的内部全反射条件的平行光束组；

一第一反射体全息光栅，其衍射和反射从外部入射到光波导上并以不同的方向传播的平行光束组，使得所述平行光束组满足所述光波导内部的内部全反射条件；以及

一第二反射体全息光栅，其通过衍射和反射而从所述光波导射出由所述光波导内部的内部全反射所引导的平行光束组，使得所述平行光束组不满足所述光波导内部的内部全反射条件，

通过光波导引导的所述平行光束组中的部分平行光束在从外部入射到从所述光波导出射的时间内全反射不同次。

19.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，记录在所述第一反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距等于记录在所述第二反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距。

20.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，设置所述第一和第二反射体全息光栅，使得它们的全息面与所述平行光束组在所述光波导内部全反射的全反射表面平行。

21.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述第一和第二反射体全息光栅上记录有具有预定的倾斜角并且彼此相同的多个干涉带；并且

设置所述第一和第二反射体全息光栅，使得其上记录的所述多个干涉带相对一预定的对称面彼此对称。

22.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，所述第二反射体全息光栅多次衍射反射入射平行光束组中的部分平行光束，以便在每次衍射和反射时从所述光波导射出所述平行光束。

23.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层以大致相同的衍射和反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层以大致相同的衍射和反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组。

24.根据权利要求23所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

25.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第一反射体全息光栅以大致相同的反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第二反射体全息光栅以大致相同的反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组。

26.根据权利要求25所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

27.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组。

28.根据权利要求27所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

29.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第一反射体全息光栅根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第二反射体全息光栅根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组。

30.根据权利要求29所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

31.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述第二反射体全息光栅在所述第一反射体全息光栅附近具有一第一区域，在所述第一区域中记录具有小于一第一倾斜角的一第二倾斜角的多个干涉带，其中所述第一倾斜角是使垂直于所述第二反射体全息光栅衍射和反射的平行光束组的衍射效率最大化的干涉带的倾斜角，以便最大效率地衍射所述入射平行光束组；以及

所述第二反射体全息光栅在远离所述第一反射体全息光栅处具有一第二区域，在所述第二区域中记录具有大于所述第一倾斜角的一第三倾斜角的多个干涉带，以便最大效率地衍射所述入射平行光束组。

32.根据权利要求31所述的虚像显示装置，其中，在所述第二反射体全息光栅的中部设置有一第三区域，在所述第三区域中记录至少一个具有所述第二倾斜角的干涉带以及至少一个具有所述第三倾斜角的干涉带。

33.根据权利要求18所述的虚像显示装置，其中，

所述光波导形成有插入到多个层叠的透明基片的任意两个透明基片之间的至少一个全息层；并且

在所述全息层上形成所述第一和第二反射体全息光栅。

34.根据权利要求33所述的虚像显示装置，其中，全息层的未形成所述第一和第二反射体全息光栅的区域作为空隙。

35.一种虚像显示装置，包括：

一光源，其发出光束；

一准直光学系统，其将从光源发出的所述光束形成为一平行光束；

一扫描光学系统，其通过水平和垂直扫描将所述平行光束形成为在不同方向上传播的平行光束组；

一光波导，其通过内部全反射引导满足所述光波导内部的内部全反射条件的平行光束组；

一第一反射体全息光栅，其衍射和反射从所述扫描光学系统入射到所述光波导上并在不同方向上传播的平行光束组，使得所述平行光束组满足在所述光波导内部的内部全反射条件；并且

一第二反射体全息光栅，其通过衍射和反射从光波导射出由所述光波导内部的内部全反射所引导的平行光束组，使得所述平行光束组不满足所述光波导内部的内部全反射条件，

通过光波导引导的所述平行光束组中的部分平行光束在从外部入射到所述光波导到从所述光波导出射的时间内全反射不同次。

36.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，记录在所述第一反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距等于记录在所述第二反射体全息光栅上的干涉带在全息表面上的栅距。

37.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，设置所述第一和第二反射体全息光栅，使得它们的全息面与所述平行光束组在所述光波导内部全反射的全反射表面平行。

38.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述第一和第二反射体全息光栅上记录有具有预定的倾斜角并且彼此相同的多个干涉带；并且

设置所述第一和第二反射体全息光栅，使得其上记录的所述多个干涉带相对一预定的对称面彼此对称。

39.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，所述第二反射体全息光栅多次衍射反射入射平行光束组中的部分平行光束，以便在每次衍射和反射时从所述光波导射出所述平行光束。

40.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层以大致相同的衍射和反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层以大致相同的衍射和反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组。

41.根据权利要求40所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

42.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第一反射体全息光栅以大致相同的反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第二反射体全息光栅以大致相同的反射角衍射和反射以相同的角度和不同的频带入射的平行光束组。

43.根据权利要求42所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

44.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅由多个全息层的叠置体形成，在所述多个全息层上记录彼此不同的干涉带，每个所述全息层根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组。

45.根据权利要求44所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

46.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述第一反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第一反射体全息光栅根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅上记录有由彼此不同的多个干涉带组合而形成的一组干涉带，所述第二反射体全息光栅根据所述平行光束组的入射角度以不同的衍射效率衍射和反射频带大致相等的平行光束组，并以相同的衍射角衍射和反射以相同的角度和大致相等的频带入射的平行光束组。

47.根据权利要求46所述的虚像显示装置，其中，每个所述第一和第二反射体全息光栅上记录有在全息表面上干涉带栅距彼此相等的至少一套干涉带，以便衍射和反射频带大致相等的平行光束组。

48.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述第二反射体全息光栅在所述第一反射体全息光栅附近具有一第一区域，在所述第一区域中记录具有小于一第一倾斜角的一第二倾斜角的多个干涉带，其中所述第一倾斜角是使垂直于所述第二反射体全息光栅衍射和反射的平行光束组的衍射效率最大化的干涉带的倾斜角，以便以最大效率衍射所述入射平行光束组；并且

所述第二反射体全息光栅在远离所述第一反射体全息光栅处具有一第二区域，在所述第二区域中记录具有大于所述第一倾斜角的一第三倾斜角的多个干涉带，以便以最大效率衍射所述入射平行光束组。

49.根据权利要求48所述的虚像显示装置，其中，在所述第二反射体全息光栅的中部设置有一第三区域，在所述第三区域中记录至少一个具有所述第二倾斜角的干涉带以及至少一个具有所述第三倾斜角的干涉带。

50.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述光波导形成有插入到多个层叠的透明基片的任意两个透明基片之间的至少一个全息层；并且

在所述全息层上形成所述第一和第二反射体全息光栅。

51.根据权利要求50所述的虚像显示装置，其中，全息层的未形成所述第一和第二反射体全息光栅的区域用作空隙。

52.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，

所述光源包括一红色发光光源、一绿色发光光源和一蓝色发光光源；并且

还设置一色彩合成装置，用于进行红光、绿光和蓝光的色彩合成。

53.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，所述扫描光学系统包括在二维方向上可自由移动的至少一个移动反射镜。

54.根据权利要求35所述的虚像显示装置，其中，所述扫描光学系统包括可分别在互相垂直的一维方向上移动的至少两个移动反射镜。

55.一种图像显示装置，包括：

一光源；

反射从所述光源发出的光束的一反射空间光学调制器；

反射从所述反射空间光学调制器所反射的光的一反射光学元件；

折射从所述反射光学元件反射的光的一光学透镜；

一四分之一波片；

一偏振光分束器；以及

一光导光学系统，

所述光学透镜将从所述反射空间调制器的反射表面上的任意位置处反射的光投射为平行光束组；

在所述光导光学系统内部全反射平行光束组然后将所述平行光束组射出；

所述光源、反射空间光学调制器、反射光学元件以及光学透镜分别位于所述偏振光分束器的四个光学表面附近或与其紧密接触；以及

所述四分之一波片位于所述反射光学元件与偏振光分束器之间。

56.根据权利要求55所述的图像显示装置，其中，所述反射光学元件为一凹面镜。

57.根据权利要求55所述的图像显示装置，其中，所述偏振光分束器包括一聚合物膜，作为偏振选择装置。

58.根据权利要求55所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件包括一全息元件。

59.根据权利要求55所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件具有不平行于所述光波导的全反射表面的多个反射表面。

60.一种图像显示装置，包括：

一图像显示元件；

反射由所述光源发出的光束的一第一反射光学元件；

再次反射从所述第一反射光学元件反射的光的一第二反射光学元件；

折射从所述第二反射光学元件反射的光的一光学透镜；

两个四分之一波片；

一偏振光分束器；以及

一光导光学系统，

所述光学透镜检测来自所述图像显示元件的图像显示表面上的任意位置的作为平行光束组的光；

在所述光导光学系统内部全反射平行光束组然后将其射出；

所述光源、第一和第二反射光学元件以及光学透镜分别位于所述偏振光分束器的四个光学表面附近或与其紧密接触；以及

所述四分之一波片分别位于所述第一反射光学元件与偏振光分束器之间以及所述第二反射光学元件与偏振光分束器之间。

61.根据权利要求60所述的图像显示装置，其中，所述第一和第二反射光学元件中任一元件为一平面镜。

62.根据权利要求60所述的图像显示装置，其中，所述第一和第二反射光学元件中任一元件为一凹面镜。

63.根据权利要求60所述的图像显示装置，其中，所述偏振光分束器包括一聚合物膜，作为偏振选择装置。

64.根据权利要求60所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件包括一全息元件。

65.根据权利要求60所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件具有不平行于所述光波导的全反射表面的多个反射表面。

66.一种图像显示装置，包括：

一图像显示元件；

反射从所述图像显示元件反射的光的一反射光学元件；

折射从所述反射光学元件反射的光的一光学透镜；

一四分之一波片；

一偏振光分束器；以及

一光导光学系统，

所述光学透镜将从所述反射空间调制器的反射表面上的任意位置反射的光投射为平行光束组；

在所述光导光学系统内部全反射平行光束组然后将其投射；

所述图像显示元件、反射光学元件以及光学透镜分别位于所述偏振光分束器的三个光学表面附近或与其紧密接触；以及

所述四分之一波片位于所述反射光学元件与偏振光分束器之间。

67.根据权利要求66所述的图像显示装置，其中，所述反射光学元件为一凹面镜。

68.根据权利要求66所述的图像显示装置，其中，所述偏振光分束器包括一聚合物膜，作为偏振选择装置。

69.根据权利要求66所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件包括一全息元件。

70.根据权利要求60所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件具有不平行于所述光波导的全反射表面的多个反射表面。

71.一种图像显示装置，包括：

一图像显示元件；以及

准直从所述图像显示元件发出的光的一准直光学系统；

内部全反射来自所述准直光学系统的平行光束组然后将其射出的一光导光学元件，

所述准直光学系统包括具有至少一个全反射表面的一棱镜。

72.根据权利要求71所述的图像显示装置，其中，所述棱镜具有用于全反射和折射的一光学表面，以及没有旋转对称轴的一光学表面。

73.根据权利要求71所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件包括一全息元件。

74.根据权利要求71所述的图像显示装置，其中，所述光导光学元件具有不平行于所述光波导的全反射表面的多个反射表面。

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