DE19654591A1

DE19654591A1 - Reflexionsholografisches optisches Element, seine Herstellung und eine Bilddisplayvorrichtung, welche diese verwendet

Info

Publication number: DE19654591A1
Application number: DE19654591A
Authority: DE
Inventors: Takao Tomono
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1997-07-03
Also published as: KR970049145A

Description

Die Erfindung betrifft ein reflexionsholografisches optisches Element, ein Herstellungsver fahren dafür, und eine Bilddisplayvorrichtung, welche solch ein reflexionsholografisches optisches Element verwendet. Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung ein reflexionsholo grafisches optisches Element, welches einen vorbestimmten Beugungsgrad selbst dann schafft, wenn ein holografischer Film dünn ausgebildet ist, ein Herstellverfahren für solch ein reflexionsholografisches optisches Element und ein Bilddisplayvorrichtung, die sich an einem kleinen Gegenstand anbringen läßt wie zum Beispiel einer Brille, was aus der Grö ßen- und Gewichtsverminderung der Bilddisplayvorrichtung resultiert.

Es ist bekannt, daß ein holografisches optisches Element die folgenden Funktionen und Merkmale besitzt, nämlich

(a) die Funktion des Umwandelns einer Lichtwellenfront
(b) die Funktion der Dispersion von Licht
(c) die Funktion der Ablenkung von Licht, und
(d) ein Interferenzmerkmal.

Vermöge der oben beschriebenen Funktionen und Merkmale wird das holografische Ele ment in den folgenden Anwendungen verwendet:

(a) Linsen
(b) Beugungsgitter
(c) Scanner
(d) Strahlteiler
(e) Strahlkombinierer und
(f) Filter.

Es ist bekannt, daß ein Head-up-Display (HUD) das holografische Element als Strahlkom binierer verwendet. Ein Head-up-Display verwendet ein reflexionsholografisches optisches Element und ist eine Bilddisplayvorrichtung, die ein durch ein Displayelement wie bei spielsweise ein Flüssigkristalldisplay (LCD) gebildetes Displaybild in dem Gesichtsfeld eines Betrachters einer externen Ansicht wie beispielsweise einer Landschaft räumlich überlagert. Das Head-up-Display findet zum Beispiel auf dem Gebiet von Fahrzeugen und Flugzeugen Anwendung.

Eine andere Bilddisplayvorrichtung, welche das reflexionsholografische optische Element verwendet, ist eine am Helm montierte Displayeinheit (HMD). Die helmmontierte Dis playeinheit ist durch Anbringen eines reflexionsholografischen optischen Elementes an ei nem Helm eines Betrachters in der Weise konstruiert, daß das reflexionsholografische opti sche Element in eine Position relativ nahe den Augen des Betrachters kommt, wenn der Betrachter den Helm trägt. Die helmmontierte Displayeinheit findet Anwendung auf dem Gebiet einer zum Manövrieren eines Flugzeuges verwendeten Displayeinheit, einer Unter haltungsvorrichtung wie einer Spielmaschine oder einer Displayeinheit zur Verwendung bei dem Sammeln von Erfahrung in künstlicher Realität.

Neben dem holografischen optischen Element ist auch eine Bilddisplayvorrichtung bekannt, die einen Halbspiegel als Strahlkombinierer verwendet.

Fig. 34 zeigt eine Bilddisplayvorrichtung, die einen Halbspiegel als Strahlkombinierer ver wendet. Die Bilddisplayvorrichtung umfaßt einen halbdurchlässigen Spiegel oder Halbspie gel 101, der unter einem Winkel von θ₁ = 45° angeordnet ist zu horizontalem externem Licht 103a, das von einer Landschaft 103 emittiert wird, und eine LCD 102, die unter einem Winkel von θ₂ = 45° zu dem Halbspiegel 101 angeordnet ist.

In dieser Bilddisplayvorrichtung tritt Displaylicht 102a des auf dem LCD 102 erschienenen Displaybildes in den Halbspiegel 101 ein. Eine Hälfte des Displaylichtes 102a wird durch den Halbspiegel 101 als reflektiertes Licht 102b reflektiert, während die andere Hälfte durch den Halbspiegel 101 als durchgelassenes Licht 102c hindurchgeht. Ähnlich wird externes Licht 103a in durchgelassenes Licht 103b und reflektiertes Licht 103c aufgespalten. Folglich wird das reflektierte Licht 102b des Displaylichtes 102a des LCD-Displays in dem Ge sichtsfeld der Augen 104 des Betrachters dem durchgelassenen Licht 103b des externen Lichtes 103a überlagert. Demzufolge kann der Betrachter das Displaybild der LCD 102 und die externe Landschaft 103 gleichzeitig betrachten.

Die in Fig. 34 gezeigte Bilddisplayvorrichtung läßt jedoch die Hälfte des Displaylichtes 102a als durchgelassenes Licht 102c hindurchgehen und läßt zu, daß die Hälfte des äußeren Lichtes 103a als das reflektierte Licht 103c reflektiert wird. Schließlich wird die Lichtmenge reduziert. Ferner ist der Halbspiegel 101 unter einem Winkel von 45° angeordnet, was sei nerseits eine Verminderung in einer horizontal projizierten Fläche beschränkt und folglich eine Verminderung der Größe der Bilddisplayvorrichtung verhindert.

Im Gegensatz dazu kann eine Bilddisplayvorrichtung, die ein holografisches optisches Ele ment verwendet, so gesteuert werden, daß sie das gesamte Displaylicht mit einer spezifi schen Wellenlänge reflektiert (oder beugt) und auch die Durchstrahlung des gesamten Lichtes einer anderen Wellenlänge zuläßt. Daher ist es möglich, eine Verminderung der Lichtmenge zu vermeiden.

Fig. 35 zeigt ein am Helm angebrachtes Display, das in USP 5 035 474 offenbart ist. Die ses helmmontierte Display umfaßt einen CRT 111 zum Sichtbarmachen eines Displaybildes, ein Prismensystem 112 und Übertragungslinsen (relay lenses) 113, die ein Zwischenbild 114 bilden von Displaylicht 111a, das von dem CRT 111 herstammt, sowie ein reflexionsholo grafisches optisches Element (Strahlkombinierer) 115, das eine Normalachse LX aufweist. Der Winkel θ₁ zwischen der optischen Achse des Prismensystems 112 und der Übertra gungslinsen 113 und dem von der externen Landschaft emittierten externen Licht 103a ist auf 58° eingestellt. Der Winkel zwischen der Normalachse LX des reflexionsholografischen optischen Elementes und der optischen Achse der Übertragungslinsen 113, das heißt, der Einfallswinkel θ₂ ist auf 27,76° eingestellt. Der Winkel zwischen der Normalachse LX des reflexionsholografischen optischen Elementes und reflektiertem (oder gebeugtem) Licht 111b des Displaylichtes 111a und durchgelassenem Licht 103b des externen Lichtes 103a, das heißt, der Reflexionswinkel θ₃ ist auf 30,24° eingestellt. Das reflexionsholografische optische Element 115 ist an einem Sichtglas (nicht gezeigt) nur unter einem Winkel von 59,7° als einem Neigungswinkel θ₄ angebracht.

In dem helmmontierten Display konvergiert das Displaylicht 111a eines auf dem CRT sicht bargemachten Bildes an einem intermediären Bildpunkt in der Form eines Zwischenbildes 114, nachdem es durch das Prismensystem 112 und die Übertragungslinsen 113 hindurch gegangen ist. Das Zwischenbild 114 an dem intermediären Bildpunkt wird zu divergentem Licht. Das divergente Licht wird von dem reflexionsholografischen optischen Element 115 reflektiert, das als Linse wirkt, in das reflektierte (gebeugte) Licht 111b, das aus im wesent lichen parallelen Strahlen besteht. Das reflektierte Licht 111b tritt in die Augen 104 des Be trachters ein. Daher kann der Betrachter das Displaybild von dem CRT 111 betrachten, das im Unendlichen in der Form eines virtuellen Bildes abgebildet ist, wobei es der externen Landschaft 103 überlagert ist. Dabei wird weder das reflektierte (gebeugte) Licht 111b des Displaylichtes 111a noch das durchgelassene Licht 103b vermindert.

Bei dem in Fig. 35 gezeigten helmmontierten Display sind der Einfallswinkel θ₂ und der Reflexionswinkel θ₃ auf 27,76° bzw. 30,24° eingestellt. Das helmmontierte Display ist so angeordnet, daß es einen außeraxialen Winkel aufweist, der ausreichend klein ist für die Differenz (θ₃ - θ₂), die 2,48° beträgt. Gemäß dem Gedanken, daß hauptsächlich aus Feld krümmungen bestehende Abbildungsfehler größer werden mit Zunahme des außeraxialen Winkels, ist es möglich, eine Bilddisplayvorrichtung zu schaffen, die kleinere Abbildungs fehler aufweist. Insbesondere wird der kleine außeraxiale Winkel erzielt, indem das refle xionsholografische optische Element 115 nur unter einem Winkel von θ₄ = 59,7° gekippt wird.

Das reflexionsholografische optische Element ist aus Gelatine-Dichromat gebildet, das einen ausreichend hohen Beugungsgrad liefert. Dieses reflexionsholografische optische Element ist zu einem Film ausgebildet mit einer Dicke von mehr als 20 µm, um so zu vermeiden, daß eine auf Beugung bezogene periodische Struktur dünn wird. Im Fall der Bildung dieses Fil mes wird ein Gelatinefilm über einem Glassubstrat aufgetragen, das ein Träger ist, und der so aufgetragene Gelatinefilm wird 15 bis 80 Stunden lang getrocknet bei einer Temperatur von 20°C und einer relativen Feuchte von 50%, so daß der Gelatinefilm geliert. Der auf diese Weise gelierte Gelatinefilm wird zwei Laserstrahlen ausgesetzt und Naßverfahren unterzogen. Dann wird der Gelatinefilm etwa vier Stunden lang thermischer Alterungsbe handlung bei einer Temperatur von 15°C unterzogen.

Fig. 36 zeigt ein herkömmliches helmmontiertes Display, das in der ungeprüften japani schen Patentanmeldungs-Veröffentlichung Hei. 4-34512 offenbart ist. Dieses helmmontierte Display umfaßt einen Helm 107′, ein an dem Helm 107′ montiertes Gehäuse 110′, ein in dem Gehäuse 110′ untergebrachtes Flüssigkristallpanel 101′, eine Gegenlichtquelle 103′, eine Konkavlinse 104a′ und eine Konvexlinse 104b′. Ein Spiegel 105′ ist an dem Gehäuse 110′ befestigt. Das Flüssigkristallpanel 101′ ist mit einem CRT (nicht gezeigt) oder dergleichen über eine Signalleitung 102′ verbunden.

Wenn bei dieser Anordnung dem Flüssigkristallpanel 101′ Bilddaten von einem CRT über die Signalleitung 102′ zugeführt werden, wird ein Displaybild auf dem Flüssigkristallpanel 101′, das Gegenlicht (Beleuchtung von hinten) von der Lichtquelle 103′ erhält, zu einem aufgeweiteten Lichtfluß 108′ ausgebildet mittels der Konkavlinse 104a′ und der Konvexlinse 104b′. Dieser Lichtfluß 108′ wird zu einem Lichtfluß 106′, nachdem er von dem Spiegel 105′ reflektiert worden ist, und der Lichtfluß 106′ tritt in die Augen 111′ ein. Infolgedessen kön nen die Augen 111′ das Displaybild auf dem Flüssigkristallpanel 101′ visuell erkennen, zum Beispiel als ein virtuelles Bild 109′ in einem Abstand von 2 m voraus. Wenn der Spiegel 105′ in einen Halbspiegel umgewandelt wird, kann der Betrachter durch den Spiegel schauen. Folglich kann der Betrachter gleichzeitig das Displaybild und die Außenwelt sehen.

Ein helmmontiertes Display dieser Art findet Anwendung, die von einer Anwendung bei der Anzeige von Flugzeuginformation wie beispielsweise Höhe und Geschwindigkeit bis zu ei ner als persönliches Theater zum Projizieren von Laufbildfilmen verwendeten Anwendung und einer in TV-Spielen verwendeten Anwendung reicht. Diese helmmontierten Displays sind zum Beispiel offenbart in "Image Laboratory", Nr. 1, 60 (1995), "Optical Technology Contact", Vol. 33, Nrn. 1, 5 (1995), "Optical Technology Contact", Vol. 33, Nr. 1, 25 (1995) und USP No. 4 902 083. Insbesondere das in dem USP 4 902 083 offenbarte Dis play soll seine Größe und sein Gewicht vermindern.

Jedoch weisen die meisten helmmontierten Displays ein Gewicht von etwa 2 kg auf und sind daher unbequem zu tragen.

Die Fig. 37A bis 37C zeigen helmmontierte Displays, die bei der "Three-Dimensional Image Conference" im Juli 1995 herausgebracht worden sind. Das in Fig. 37A gezeigte helmmontierte Display umfaßt ein Flüssigdisplaypanel 101′, das in einer oberen Fläche eines Freiformflächenprismas 112′ mit ersten und zweiten Reflexionsflächen 113′ und 114′ vorge sehen ist. Ein auf dem Flüssigdisplaypanel 101′ sichtbargemachtes Bild tritt in die Augen 111′ ein, nachdem es von der ersten und der zweiten Reflexionsfläche 113′ und 114′ reflek tiert worden ist. Wenn die zweite Reflexionsfläche 114′ des Freiformflächenprismas 112′ zu einem Halbspiegel ausgebildet ist, wie in Fig. 37B gezeigt, wird das Freiformflächenprisma 112′ durchsichtig (see-through), was seinerseits dem Betrachter gestattet, ein Displaybild und die Außenwelt gleichzeitig zu sehen. Jedoch ist ein Lichtfluß 116′ nach oben gerichtet. Das in Fig. 37C gezeigte helmmontierte Display ist verbessert, um dieses Problem zu lö sen. Dieses helmmontierte Display verwendet das Freiformflächenprisma 112′, in den Fig. 37A und 37B gezeigt, und ein Freiformflächenprisma 117′ kombiniert. Wie durch die Lichtflüsse 118a′ und 118b′ angezeigt, ist es möglich, ein helmmontiertes Durchsicht- Display zu verwirklichen. Folglich kann das helmmontierte Display in Größe und Gewicht vermindert werden, was seinerseits dem Betrachter gestattet, es zum Beispiel über Bril lengläsern zu tragen.

In dem helmmontierten Display, das ein herkömmliches reflexionsholografisches optisches Element verwendet, ist dieses nur unter einem vorbestimmten Winkel angeordnet. Daher bestehen Beschränkungen hinsichtlich der Größenverminderung. Ferner sind mehrere Pro zesse erforderlich, die eine lange Bearbeitungszeit benötigen, um einen Gelatinefilm zu einer vorbestimmten Dicke auszubilden, was zu verminderter Produktivität und erhöhten Kosten führt. Ferner werden das Prismensystem und die Übertragungslinsen verwendet, was es schwierig macht, das Gewicht des helmmontierten Displays zu reduzieren.

Ferner ist in jedem der herkömmlichen helmmontierten Displays eine Bilddisplayfläche ge trennt von den Augen eines Benutzers angeordnet. Daher wird eine Eintrittspupille einer bestimmten Größe erforderlich, was seinerseits das Verkleinern des helmmontierten Dis plays beschränkt. Folglich ist es unmöglich, ein Gefühl zu eliminieren, einen unhandlichen Gegenstand zu tragen.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines reflexionsholografischen optischen Elementes, welches Größen- und Gewichtsverminderungen zuläßt, und ein Herstellverfahren für solch ein reflexionsholografisches optisches Element.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaftung eines reflexionsholografischen optischen Elementes, welches einen hohen Beugungsgrad selbst dann schafft, wenn die Dicke eines holografischen fotoempfindlichen Materials reduziert ist, und ein Verfahren zum Herstellen solch eines reflexionsholografischen optischen Elementes.

Noch ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines reflexionsholografischen optischen Ele mentes, welches eine erhöhte Produktivität und Kostenverminderungen ermöglicht, und ein Verfahren zum Herstellen solch eines reflexionsholografischen optischen Elementes.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Bilddisplayvorrichtung, die sich in einen kleinen Gegenstand wie beispielsweise Brillengläser unterbringen läßt als Ergebnis der Größen- und Gewichtsverminderung der Bilddisplayvorrichtung.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein reflexionsholografisches optisches Element, welches gekennzeichnet ist durch
ein Medium mit Brechungsindex, das einen ersten Brechungsindex besitzt und die Haup tebene und eine daran gebildete Endfläche aufweist,
einen holografischen Film, der einen zweiten Brechungsindex besitzt und auf der Haupt ebene des Mediums mit Brechungsindex zu einer vorbestimmten Dicke ausgebildet ist,
und eine Rekonstruktionslicht-Eintrittsleinrichtung, um zuzulassen, daß Rekonstruktions licht in das Medium mit Brechungsindex von seiner Endfläche her zu dem holografischen Film eintritt unter einem vorbestimmten Winkel zur Normalen des holografischen Filmes.

Zur Erreichung der vorher beschriebenen Ziele schafft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung eines reflexionsholografischen optischen Elementes, das gekennzeichnet ist durch die Schritte,
daß eine Hauptebene eines Mediums mit Brechungsindex, das die Hauptebene und eine Endfläche aufweist und einen ersten Brechungsindex besitzt, auf eine vorbestimmte Dicke überzogen wird mit einem holografischen lichtempfindlichen Material, das einen zweiten Brechungsindex aufweist,
daß veranlaßt wird, daß Bezugslicht in das Medium mit Brechungsindex von seiner End fläche her zu dem holografischen lichtempfindlichen Material eintritt unter einem ersten vorbestimmten Winkel zu der Normalen des holografischen lichtempfindlichen Materials, und veranlaßt wird, daß Objektlicht in das Medium mit Brechungsindex eintritt von seiner entgegengesetzten Seite her zu dem holografischen lichtempfindlichen Material unter einem zweiten vorbestimmten Winkel zu der Normalen,
und daß ein holografischer Film auf der Hauptebene des Mediums mit Brechungsindex gebildet wird durch Entwickeln von Interferenzstreifen des holografischen lichtempfindli chen Materials, die durch das Bezugslicht und das Objektlicht gebildet worden sind.

Zur Erreichung der vorher beschriebenen Ziele schafft die Erfindung eine Bilddisplayvor richtung, welche gekennzeichnet ist durch
ein Medium mit Brechungsindex, das einen ersten Brechungsindex besitzt und die Haup tebene und eine daran gebildete Endfläche aufweist,
einen holografischen Film, der einen zweiten Brechungsindex besitzt und auf der Haup tebene des Mediums mit Brechungsindex zu einer vorbestimmten Dicke ausgebildet ist,
und eine Bilddisplayeinrichtung, um zuzulassen, daß Displaylicht in das Medium mit Bre chungsindex von seiner Endfläche her eintritt zu dem holografischen Film als Rekonstrukti onslicht unter einem vorbestimmten Winkel zu der Normalen des holografischen Filmes.

Vermöge des reflexionsholografischen optischen Elementes, des Herstellverfahrens dafür und der Bilddisplayvorrichtung, welche das reflexionsholografische optische Element der Erfindung verwendet, kann das Hologramm, das als Strahlkombinierer dient, verwendet werden, während es sich in einer nahezu aufrechten Position befindet. Ferner kann das Hologramm so nahe wie möglich an den Augen des Benutzers angeordnet werden. Ein au ßeraxialer Winkel wird schließlich größer. Das reflexionsholografische optische Element ist so angeordnet, daß es noch einen ausreichenden Beugungsgrad sicherstellt trotz solch einer Zunahme des außeraxialen Winkels. Genauer gesagt werden ein Einfallswinkel des Bezugs lichtes, das zur Zeit der Herstellung eines Hologramms bezüglich der holografischen licht empfindlichen Schicht verwendet wird, und ein Einfallswinkel des Rekonstruktionslichtes zum Zeitpunkt der Rekonstruktion eines Bildes bezüglich der holografischen lichtempfindli chen Materialschicht in einen vorbestimmten Winkelbereich eingestellt. Das Verhältnis eines Beugungsindex des holografischen optischen Elementes zu einem Beugungsindex des auf der Seite der holografischen fotoempfindlichen Materialschicht vorgesehenen Mediums, in welches das Bezugslicht eintritt, ist auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Mit der oben beschriebenen Konstruktion wird ein hoher Beugungsgrad erzielt, selbst wenn die Dicke des holografischen lichtempfindlichen Materials dünn ist. Gleichzeitig kann ein Bild mit kleiner Feldkrümmung reproduziert werden, selbst wenn das holografische optische Material ver wendet wird, während es sich in nahezu aufrechter Position befindet.

Im Gegensatz dazu wird der Krümmungsradius der zweiten Ebene von Gläsern auf 87 mm eingestellt gemäß dem japanischen Industriestandard (JIS). Ein holografisches optisches Element mit einem hohen Beugungsgrad wird auf der ersten Ebene der Gläser gebildet, in dem die erste Ebene der Gläser bis zu einer Dicke, die von 3 µm bis 7 µm reicht, mit einem holografischen lichtempfindlichen Material überzogen wird und zugelassen wird, daß das Bezugslicht in die holografische lichtempfindliche Materialschicht von ihrer Stirnfläche her eintritt unter einem Winkel eines vorbestimmten Bereichs bezüglich der Normalen (der z- Achse) der holografischen lichtempfindlichen Materialschicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbei spiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erläuternde Darstellung eines Modells zur Berechnung betreffend eine Ho logrammanalyse, gemäß der Erfindung;

Fig. 2A bis 2C Diagramme von Berechnungsergebnissen der Hologrammanalyse der Erfindung;

Fig. 3A und 3B Diagramme eines reflexionsholografischen optischen Elementes, das in einem Test zur Hologrammanalyse der Erfindung verwendet wird;

Fig. 4 ein Kurvenbild von Berechnungsergebnissen als Funktion von Versuchsergeb nissen bezüglich der Hologrammanalyse;

Fig. 5 eine Skizze zum Zeigen eines Verfahrens zur Herstellung eines reflexionsholo grafischen optischen Elementes einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Skizze zum Zeigen des reflexionsholografischen optischen Elementes der ersten Ausführungsform;

Fig. 7 eine Skizze eines helmmontierten Displays, welches das reflexionsholografische optische Element der ersten Ausführungsform verwendet;

Fig. 8 eine Fotografie eines auf dem helmmontierten Display sichtbargemachten Bil des;

Fig. 9A bis 9E Skizzen eines Verfahrens zur Herstellung eines Head-up-Display, wel ches ein reflexionsholografisches optisches Element gemäß einer zweiten Aus führungsform der Erfindung verwendet;

Fig. 10 eine Skizze eines Souffleurs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 11 eine Skizze eines Verfahrens zur Herstellung eines Brillendisplays gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine Skizze des Brillendisplays gemäß der vierten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 13 eine Skizze eines Brillendisplays gemäß einer fünften Ausführungsform der Er findung;

Fig. 14 eine Skizze eines Brillendisplays gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 15A und 15B Skizzen eines Brillendisplays gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 ein schematisches Bild eines Brillendisplay gemäß einer achten Ausführungs form der Erfindung;

Fig. 17 eine partielle vergrößerte Ansicht der in Fig. 16 gezeigten Brille;

Fig. 18 eine Skizze eines üblichen Verfahrens zur Herstellung eines Hologramms;

Fig. 19 eine Skizze eines Verfahrens zur Herstellung eines Hologramms der achten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 20 eine Skizze einer Modifikation des Brillendisplay der achten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 21 eine Skizze der Beziehung zwischen der Sichtbarkeit der Außenwelt und einem Teilungsabstand zwischen Interferenzstreifen des Hologramms;

Fig. 22 eine Skizze eines Feldwinkels eines Benutzers, wenn er ein Display beobachtet;

Fig. 23 eine Skizze der Beziehung zwischen den Brillengläsern und einem Augapfel;

Fig. 24 ein schematisches Bild einer Brille im Gegensatz zu der in Fig. 16 gezeigten Brille;

Fig. 25 eine Skizze des Brillenglases im Gegensatz zu dem in Fig. 17 gezeigten Bril lenglas;

Fig. 26 eine Skizze des Prinzips eines Vergrößerungsspiegels (eines Vergrößerungsgla ses);

Fig. 27A eine Skizze der Wellenfronten, die erhalten werden, wenn ein Punkt auf dem Hologramm aufgezeichnet wird;

Fig. 27B eine Skizze der Rekonstruktion eines Bildes aus dem Hologramm;

Fig. 28A eine Skizze der Herstellung des Hologramms;

Fig. 28B eine Skizze der Rekonstruktion eines Bildes von dem Hologramm;

Fig. 29 ein schematisches Bild eines Brillendisplay einer neunten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 30 eine Skizze der Herstellung eines Hologramms der neunten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 31 eine Skizze eines Brillendisplay einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 32A eine Skizze eines Hologramms gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung

Fig. 32B eine Skizze einer Augenlinse der elften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 32C eine Skizze eines mit dem Hologramm versehenen Brillenglases der elften Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 33 eine Skizze eines Brillendisplay einer zwölften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 34 eine Skizze einer herkömmlichen Bilddisplayvorrichtung, die einen Halbspiegel als Strahlkombinierer verwendet;

Fig. 35 ein schematisches Bild eines herkömmlichen helmmontierten Displays;

Fig. 36 ein schematisches Bild eines herkömmlichen helmmontierten Displays;

Fig. 37A eine Skizze eines herkömmlichen helmmontierten Displays;

Fig. 37B eine Skizze eines herkömmlichen helmmontierten Durchsichtdisplays; und

Fig. 37C eine Skizze eines herkömmlichen helmmontierten Durchsichtdisplays.

Vor der Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden Berechnungs ergebnisse der Hologrammanalyse beschrieben, welche die Erfinder durchgeführt haben auf der Grundlage der Theorie von H. Kogelnik.

Fig. 1 zeigt ein Modell zur Hologrammanalyse. Ein Hologramm (ein zweites Medium) 124, das ein Beugungsgitter 124a und einen Brechungsindex n₂ aufweist, ist zwischenge schichtet zwischen ein erstes Medium 121 mit dem Brechungsindex n₁ und ein drittes Medium 123 mit dem Brechungsindex n₃. Das Hologramm 124 verwendet eine Silbersalze mulsion als holografisches lichtempfindliches Material (der Brechungsindex n₂ beträgt 1,63, und die Modulation des Brechungsindex n₂ beträgt etwa 0,02). Das Beugungsgitter 124a des Hologramms 124 wird hergestellt durch Eintritt von Objektlicht 120 in das erste Medi um 121 und Eintritt von Bezugslicht 122 in das dritte Medium 123. Die Einfallswinkel des Bezugslichtes 122 und des Objektlichtes 120 zu der Normalen des Hologramms 124 (das heißt, der z-Achse) sind θ₁ und θ₂. Das Hologramm 124 bildet einen Beugungsgittervektor 125 mittels des Objektlichtes 120 und des Bezugslichtes 122.

Wenn in diesem Modell Rekonstruktionslicht 126 in das dritte Medium 123 eintritt unter dem Winkel θ₁ zur Normalen (der z-Achse) des Hologramms 124, wird das Rekonstrukti onslicht 126 von dem Beugungsgitter 124a reflektiert. Wenn insbesondere das Rekonstruk tionslicht 126 in das dritte Medium in der gleichen Richtung eintritt wie das Bezugslicht 122, wird das Rekonstruktionslicht 126 von dem Beugungsgitter 124a reflektiert, und das so reflektierte Licht tritt in Augen 104 ein. Folglich wird ein Bild 127 rekonstruiert, das dem Rekonstruktionslicht 126 bei der Position des Objektlichtes 120 entspricht. In diesem Modell werden der Beugungsgrad η des Hologramms 124 bezüglich des Einfallswinkels θ₁ des Be zugslichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes 126 sowie der Einfallswinkel θ₂ des Objekt lichtes 120 erhalten. Die Richtung der Einfallswinkel θ₁ und θ₂ gegen den Uhrzeigersinn bezüglich der Normalen (der z-Achse) des Hologramms 124 wird auf eine positive Richtung eingestellt. Ein Teilungsabstand (pitch) des Beugungsgitters 124a und die Richtung des Beugungsgittervektors 125 werden aus dem Einfallswinkel θ₁ des Bezugslichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes 126, dem Einfallswinkel θ₂ des Objektlichtes 120 und ihrer Wellenlänge berechnet. Der Beugungsgrad η wird berechnet, indem der Teilungsabstand des Intervalls 124a und die Richtung des Beugungsgittervektors 125 in Kogelnik′s Glei chung eingesetzt werden. Diese Gleichung ist auf Seite 2932 des "The Bell System Techni cal Journal", November 1969 beschrieben.

Die Fig. 2A bis 2C zeigen die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ₁ des Bezugs lichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes 126, dem Einfallswinkel θ₂ und dem Beugungs grad η.

Fig. 2A zeigt einen Fall, in dem das erste und das dritte Medium 121 bzw. 123 Luft sind, und in dem die Dicke des Hologramms 124 15 µm beträgt. In diesem Fall ist die Verteilung der Brechungsindices n₁, n₂ und n₃ definiert als n₁ = 1, n₂ = 1,63 und n₃ = 1.

Fig. 2B zeigt einen Fall, in dem das erste Medium 121 ein Glassubstrat ist, in dem das dritte Medium 123 Luft ist, und in dem die Dicke des Hologramms 8 µm beträgt. In diesem Fall ist die Verteilung der Brechungsindices n₁, n₂ und n₃ definiert als n₁ = 1,52, n₂ = 1,63 und n₃ = 1.

Fig. 2C zeigt einen Fall, in dem das erste Medium 121 ein Glassubstrat ist, in dem das dritte Medium 123 Luft ist, und in dem die Dicke des Hologramms 8 µm beträgt. In diesem Fall ist die Verteilung der Brechungsindices n₁, n₂ und n₃ definiert als n₁ = 1, n₂ = 1,63 und n₃ = 1,52.

Wie in den Fig. 2A bis 2C gezeigt, ist das Rekonstruktionslicht 126 linear polarisiertes Licht, und der Einfallswinkel θ₁ des Bezugslichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes 126 wurde von 100° bis 260° verändert, und der Einfallswinkel θ₂ des Objektlichtes 120 wurde von -80° bis +80° verändert.

Fig. 2A zeigt, daß ein Beugungsgrad η von 100% in allen Bereichen des Hologramms 124 erhalten wird, da die Dicke des Hologramms 124 15 µm beträgt. Wenn die Dicke des Holo gramms 124 auf weniger als 15 µm vermindert wird, ergeben sich die Bereiche, in denen eine Beugungsgrad η von 100% nicht erhalten wird, aus der Sicht der Kalkulation. Selbst wenn die Dicke des Hologramms 124 15 µm beträgt, wird es unmöglich, einen Beugungs grad η von 100% zu erhalten, vorausgesetzt daß die Modulation des Brechungsindex n₂ 0,015 beträgt. Um einen Beugungsgrad η von 100% in allen Bereichen des reflexionsholo grafischen optischen Elementes sicherzustellen, sollte das Hologramm zu einer Dicke von mehr als 20 µm ausgebildet sein, selbst wenn das Hologramm nicht genügend belichtet ist.

Als Ergebnis der Rechnung konnten die Gründe erkannt werden, warum die Dicke des ho lografischen Materialfilmes auf 20 µm eingestellt werden mußte, um einen hohen Beu gungsgrad η zu erhalten.

Fig. 2B zeigt, daß der Beugungsgrad η kaum von dem Einfallswinkel θ₂ des Objektlichtes 120 abhängt, aber ein wenig von dem Einfallswinkel θ₁ des Bezugslichtes 122 und des Re konstruktionslichtes 126 abhängt, und daß es auch dem maximalen Beugungsgrad η bei θ₁ = 110° oder θ₁ = 250° nicht gelang, 40% zu erreichen. Der Beugungsgrad η liegt nur bei 20 bis 30% in dem Bereich, in dem der Einfallswinkel θ₁ in einem Bereich von 150° bis 210° liegt, der von dem herkömmlichen Head-up-Display oder dem helmmontierten Display ver wendet wird.

Fig. 2C zeigt, daß der Beugungsgrad η ein Maximalwert von mehr als 95% wird ohne Rücksicht auf den Einfallswinkel θ₂ des Objektlichtes 120, wenn der Einfallswinkel θ₁ des Bezugslichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes 126 110° oder 250° (-110°) beträgt, und daß der Beugungsgrad η ein Minimalwert von weniger als 30% wird, wenn der Einfallswin kel θ₁ 180° beträgt. Ferner zeigt diese schematische Darstellung, daß der Beugungsgrad η bei einem Viertel oder einem Drittel seines Maximalwertes liegt in dem Bereich des Ein fallswinkels θ₁ zwischen 150° und 210°, der von dem herkömmlichen Head-up-Display und dem helmmontierten Display angenommen wird. Im Gegensatz dazu zeigte sich, als Unter suchungsergebnis des Beugungsgrades η auf der Grundlage des Verhältnisses des Beu gungsgrades des Hologramms 124 zu dem Beugungsgrad des dritten Mediums 123, daß das Verhältnis des Beugungsgrades n₂ zu n₃ die Beziehung n₃/n₂ 0,8 erfüllen mußte.

Eine analoge Hologrammanalyse wurde ausgeführt auf der Grundlage der Annahme, daß ein Glassubstrat für das erste und das dritte Medium 121 und 123 verwendet wird, und daß die Verteilung der Brechungsindices n₁, n₂ und n₃ definiert ist durch n₁ = 1,52, n₂ = 1,65 und n₃ = 1,52 in dem in Fig. 1 gezeigten Modell. Als Ergebnis dieser Analyse wurden Resultate analog zu den in Fig. 2C gezeigten erhalten.

Um die Angemessenheit von Berechnungsergebnissen der anhand der in den Fig. 1 und 2A bis 2C beschriebenen Hologrammanalyse zu überprüfen, ist ein reflexionsholografisches optisches Element hergestellt worden unter Verwendung einer Silberemulsion als holografi schem lichtempfindlichen Material. Ein Versuch der Rekonstruktion des Objektlichtes wur de ausgeführt unter Verwendung des so hergestellten reflexionsholografischen optischen Elementes.

Fig. 3A zeigt das Glassubstrat 121 (entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten ersten Medium 121) angeordnet auf der Seite des Hologramms 124, in welches das Objektlicht 120 eintritt. Das Bezugslicht 122 und das Rekonstruktionslicht 126 treten in das Hologramm 124 unter dem Einfallswinkel θ₁ zur z-Achse ein.

Fig. 3B zeigt das Glassubstrat 123 (entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten dritten Medium 123) angeordnet auf der Seite des Hologramms 124, in welches das Bezugslicht 122 und das Rekonstruktionslicht 126 eintreten, wobei der Einfallswinkel θ₁ die gleiche Bedeutung aufweist wie der in Fig. 3A gezeigte Einfallswinkel.

Das in den Fig. 3A und 3B gezeigte Hologramm 124 ist zu einer Dicke von 7 µm aus gebildet unter Verwendung einer Silberemulsion.

Fig. 4 zeigt die Testergebnisse zur Rekonstruktion des Objektlichtes 120. Mehr im einzel nen zeigt die Figur den Beugungsgrad η(%) als Funktion des Einfallswinkels θ₁ des Be zugslichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes 126, wenn das Objektlicht 120 in das Holo gramm unter einem Winkel von 0° eintritt. In der Figur entspricht die Kurve a der Fig. 3A, wogegen die Kurve b der Fig. 3B entspricht. Die Kurven a und b sind theoretische Werte. Entlang der Kurve a eingezeichnete weiße Kreise bezeichnen Testergebnisse zur Rekon struktion des Objektlichtes, die unter Verwendung der in Fig. 3A gezeigten Anordnung ausgeführt wurden, wogegen entlang der Kurve b eingezeichnete weiße Kreise Testergeb nisse zur Rekonstruktion des Objektlichtes bezeichnen, die unter Verwendung der in Fig. 3B gezeigten Anordnung ausgeführt wurden. Die theoretischen Werte und die Testwerte stimmen miteinander überein; und folglich ist es möglich, zu entscheiden, daß die theoreti schen Werte zuverlässig sind.

Der Nutzungsfaktor des Displaylichtes und externen Lichtes beträgt 50% in dem Strahl kombinierer, der einen Halbspiegel verwendet, welcher in dem Stand der Technik beschrie ben ist. Vorausgesetzt, daß als Ziel der minimale Beugungsgrad auf 55% eingestellt wird durch Erhöhen um 5% entsprechend 10% des herkömmlichen Nutzungsfaktors 50%, müs sen der Einfallswinkel θ₁ des Bezugslichtes 122 und des Rekonstruktionslichtes im Bereich von 92° bis 122° liegen, wie aus der Kurve b in Fig. 4 ersichtlich.

Auf der Grundlage der oben beschriebenen Resultate des von den Erfindern ausgeführten Tests hat sich gezeigt, daß der minimale Beugungsgrad von 55% erhalten werden kann, selbst wenn der holografische Film dünn ausgebildet ist zu einer Dicke von 7 -8 µm unter den folgenden Bedingungen,
daß zum Zeitpunkt der Herstellung eines Hologramms das Bezugslicht in eine holo grafische lichtempfindliche Schicht eintritt unter dem Einfallswinkel, der im Bereich von 92° bis 122° bezüglich der Normalen (der z-Achse) der holografischen lichtempfindlichen Mate rialschicht liegt, und unter dem Einfallswinkel, der im Bereich von -92° bis -122° liegt, wo bei beide Einfallswinkel symmetrisch zu der Normalen (der z-Achse) sind,
daß zum Zeitpunkt der Reproduktion eines Bildes das Rekonstruktionslicht in das Hologramm eintritt unter dem Einfallswinkel, der im Bereich von 92° bis 122° bezüglich der Normalen (der z-Achse) des Hologramms liegt, sowie unter dem Einfallswinkel, der im Be reich von -92° bis -122° liegt, wobei beide Einfallswinkel symmetrisch zu der Normalen (der z-Achse) sind,
und daß das dritte Medium mit dem Brechungsindex n₃, der n₃/n₂ 0,8 befriedigt bezüglich des Hologramms mit dem Brechungsindex n₂, auf der Seite des Hologramms an geordnet ist, in welche das Bezugslicht und das Rekonstruktionslicht eintreten.

Nachfolgend werden Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die auf der Grundlage der vorher beschriebenen Testergebnisse erhalten worden sind.

(Erste Ausführungsform)

Ein in Fig. 5 gezeigtes Glassubstrat 2 wird mit holografischem lichtempfindlichen Material 1 überzogen. Zum Beispiel wird eine Silberemulsion, Gelatine-Dichromat oder Photopoly mer als das holografische lichtempfindliche Material 1 verwendet. Pyrexglas, Natronglas oder Kunststoffglas wird als Glassubstrat 2 verwendet. Das holografische lichtempfindliche Material 1 wird so positioniert, daß es einem Objektpunkt 3 zugekehrt ist. Objektlicht 4 tritt in das holografische lichtempfindliche Material 1 ein unter dem Einfallswinkel, der von 0° bis -20° reicht (oder dem Einfallswinkel, der von 0° bis 20° reicht) bezüglich der z-Achse. Im Gegensatz dazu tritt Bezugslicht 5 in das holografische lichtempfindliche Material 1 ein unter dem Einfallswinkel, der im Bereich von -92° bis -122° zur z-Achse liegt (oder dem Einfallswinkel, der im Bereich von 92° bis 122° liegt). Folglich werden Interferenzstreifen in dem holografischen lichtempfindlichen Material 1 gebildet. Diese Interferenzstreifen werden als ein Hologramm aufgezeichnet, nachdem das holografische lichtempfindliche Material 1 Entwicklungsprozesse durchgemacht hat, wodurch ein reflexionsholografisches lichtemp findliches optisches Element fertiggestellt wird.

Wenn ein Hologramm 6 Rekonstruktionslicht 7 ausgesetzt wird unter dem gleichen Ein fallswinkel, unter dem das Bezugslicht 5 in das holografische lichtempfindliche Material eintritt, erscheint ein Bild 8 bei der Position des Objektpunktes 3, wie in Fig. 6 gezeigt.

Fig. 7 zeigt ein helmmontiertes Display, welches das oben beschriebene Reflexionsholo gramm verwendet. Eine LCD 10, ausgerüstet mit Beleuchtung von hinten, befindet sich in 24 mm Abstand von dem Ursprung 14 des Hologramms 6 in einer Richtung von -110° zur z-Achse. Buchstaben in Punktgröße 6, die XEROX lauten (Buchstaben schwarz auf weiß) wurden auf dem LCD 10 sichtbargemacht. Wenn das Hologramm 6 in der Richtung der z- Achse betrachtet wurde, konnte ein virtuelles Bild 12 in der Richtung -z erkannt werden.

Fig. 8 ist eine dichte Nahaufnahme, aufgenommen mit einer Kamera 13, deren Brennpunkt auf eine Entfernung von 250 mm eingestellt war.

(Zweite Ausführungsform)

Die Fig. 9A bis 9E zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Head-up-Display, wel ches ein reflexionsholografisches optisches Element verwendet, das an einem Prisma an Stelle des Glassubstrats ausgebildet ist.

Anfänglich wird ein Prisma 15 mit einem Scheitelwinkel von 20° präpariert. Zusätzlich zu Gläsern (wie Pyrexgläsern oder Natrongläsern) kann das Prisma 15 aus Kunststoffen gebil det sein, die aus PMMA als Grundmaterial bestehen. Das Prisma 15 und ein identisch ge formtes weiteres Prisma 16 werden miteinander verkittet unter Verwendung eines Klebe mittels 17, um eine horizontale Ebene zu erhalten, wie in Fig. 9A gezeigt. Als das Klebe mittel 17 wird ein Klebemittel verwendet, das später entfernbar ist. Ein holografisches licht empfindliches Material 18 wird nur auf das Prisma 15 der zwei miteinander verkitteten Prismen 15 und 16 aufgebracht, wie in Fig. 9B gezeigt. Das holografische lichtempfindli che Material 18 kann zu einem schleuderbeschichteten Film anstatt zu einem angestrichenen Film ausgebildet sein. Ein Hologramm 19 wird gebildet unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Anordnung. Das Klebemittel 17 wird durch ein Lösemittel entfernt, nachdem das Hologramm 19 gebildet worden ist, so daß das Prisma 16 entfernt wird. Noch ein weiteres Prisma 21 wird an das Prisma 15 angeklebt, um so nur einen exponierten Bereich zu bedec ken, wie in Fig. 9D gezeigt. Ein Displayelement (wie beispielsweise eine LCD) wird in engen Kontakt mit dem Boden des anfänglich präparierten Prismas 15 gebracht, wie in Fig. 9E gezeigt. Nun ist ein Head-up-Display 23 gebildet.

(Dritte Ausführungsform)

Fig. 10 zeigt einen Souffleur (prompter), der das Head-up-Display 23 von Fig. 9 ver wendet. Das Head-up-Display 23 wird an einem Pult 25 angebracht, wobei Panzerglas 24 an die Oberfläche des Hologramms 19 angeklebt wird. Solch ein Head-up-Display 24 kann genutzt werden für Pressekonferenzen, die in der offiziellen Residenz des Premierministers abgehalten werden. Sogar ein Head-up-Display ohne Panzerglas kann als gewöhnlicher Souffleur verwendet werden.

(Vierte Ausführungsform)

Anhand der Fig. 11 und 12 werden ein Brillendisplay (eyeglass display), das ein refle xionsholografisches optisches Element verwendet, und sein Herstellverfahren beschrieben. Der Krümmungsradius der zweiten Glasebene wird auf 87 mm eingestellt gemäß dem japa nischen Industriestandard (JIS). Ein Brillenglas (eyelens) 37 ohne Linsenstärke ist zu einer Dicke von 5 mm ausgebildet.

Das Brillenglas 37 wird schleuderbeschichtet mit einem holografischen lichtempfindlichen Material, zum Beispiel einem Photopolymer 36. Zu diesem Zeitpunkt wird die Drehzahl des Brillenglases 37 so gesteuert, daß ein Photopolymer gleichförmig auf dem Brillenglas aus gebildet wird zu einer Dicke von etwa 8 µm.

Fig. 11 zeigt die Anordnung optischer Systeme zum Bilden eines Hologramms in dem mit einem Photopolymer 36 überzogenen Brillenglas 37. Das Brillenglas 37 weist eine Krüm mung auf, und folglich wird das Photopolyiner 36 belichtet durch eine Endfläche 37a des Brillenglases 37, indem man das Bezugslicht 5 in das Brillenglas unter einem Winkel von -105° zur z-Achse eintreten läßt. Dabei wird der Abstand zwischen dem Ursprung 14 und einer Vergrößerungslinse 39 auf 30 mm eingestellt. Ein mit einem Hologramm ausgestattetes Brillenglas wird als Ergebnis der Belichtung und Entwicklung gebildet. Mehr im einzelnen wird ein von einem He-Ne-Laser 30 ausgestrahlter Strahl durch einen Spiegel 31 reflektiert. Der so reflektierte Laserstrahl wird in zwei Strahlen gespalten, und zwar ei nen Strahl 32a und einen Strahl 32b. Der Strahl 32a wird durch einen Spiegel 33 reflektiert, und der so reflektierte Strahl wird in eine divergente Welle umgewandelt. Der Durchmesser des Strahls der so umgewandelten divergenten Welle wird auf die Öffnungsweite (aperture) des Hologramms aufgeweitet. Der so aufgeweitete Strahl wird durch eine Kollimationslinse 35 in eine ebene Welle umgewandelt. Im Gegensatz dazu wird der andere Strahl 32b durch einen Spiegel 38 reflektiert, und der so reflektierte Strahl wird durch eine Linse 39 in eine divergente Welle umgewandelt. Die Strahlen 32a und 32b erzeugen Interferenzstreifen auf dem Photopolymer 36. Diese auf dem Photopolymer 36 gebildeten Interferenzstreifen wer den durch Entwicklungsprozesse in der Form eines Hologramms aufgezeichnet. Dieses Verfahren zum Bilden eines Hologramms unter Verwendung der ebenen Welle und der di vergenten Welle ist in dieser Ausführungsform beschrieben. Jedoch ist es auch möglich, ein Hologramm unter Verwendung einer konvergierenden Welle und der divergenten Welle zu bilden.

Fig. 12 zeigt ein Brillendisplay mit dem reflexionsholografischen optischen Element, das unter Verwendung der in Fig. 11 gezeigten optischen Anordnung hergestellt worden ist. Das Brillendisplay weist einen Schutzüberzug 44 auf, um eine über dem Brillenglas 37 ge bildete holografische Ebene 43 zu schützen. Dieser Schutzfilm wird an das Brillenglas unter Verwendung eines ultravioletthärtenden Klebemittels angeklebt. Als Schutzfilm 44 kann amorphes Polyolefin, Polycarbonat (PC), Polymethyl-Metacrylat (PMMA) oder Perfluoro- Alcoxy-Polyethylen (PFA) erwähnt werden. Anschließend wird eine mit Gegenlichtbe leuchtung ausgestattete LCD 40 an einer Endfläche 37a des Brillenglases 37 angeordnet. Die LCD 40 mißt zum Beispiel 9 × 5 mm. Der Abstand zwischen dem Ursprung der holo grafischen Ebene 43 und der LCD 40 beträgt 24 mm. Das Brillenglas 37 wird durch ein Gestell 42 gehalten. Dieses Brillenglas 37 mißt mehr als 5 cm im Durchmesser; und zwar mißt das Brillenglas 37 mehr als 5 cm in seiner Vertikalrichtung. Um die Fähigkeit zum Tragen des Brillenglases sicherzustellen, indem die Größe des Brillenglases 37 in der z- Achsenrichtung unterdrückt wird, wenn es auf einer horizontalen Ebene auf weniger als 1,7 cm projiziert wird, wird vorzugsweise der Einfallswinkel θ₂ des Objektlichtes so eingestellt, daß er kleiner als ±20° wird.

Diese mit Beleuchtung von hinten ausgestattete LCD 40 kann ersetzt werden zum Beispiel durch ein Laserdisplay, welches gebildet wird durch zweidimensionales Abtasten eines La serstrahls unter Verwendung eines AO-Deflektors, ein zweidimensionales Display, das aus einem mittels eines Mikrobearbeitungsverfahrens hergestellten beweglichen Mikrospiegel besteht, oder ein Display, das aus einer zweidimensionalen LED besteht.

Wenn die Buchstaben in Punktgröße 6, die XEROX lauteten, auf der LCD 40 in dem oben beschriebenen Brillendisplay sichtbar gemacht wurden, erschien ein virtuelles Bild der Buch staben XEROX in einem Abstand von 25 cm von dem Brillenglas 37.

(Fünfte Ausführungsform)

Fig. 13 zeigt eine Modifikation des in Fig. 12 gezeigten Brillendisplay. Im einzelnen ist dieses Brillendisplay versehen mit einer Lichtmodulier- oder -aussteuerfunktion zum Steu ern von äußerem Licht, das heißt, der Durchlässigkeit externer Bildinformation. Das Bril lendisplay verwendet zum Beispiel ein elektrochemisches Element, das zum Beispiel auf Seite 25 des "Optical Technology Contact", (Vol. 33, Nr. 1, 1995) offenbart ist. Die Her stellung des Brillendisplay umfaßt die Schritte, daß das Brillenglas 37, ausgerüstet mit dem reflexionsholografischen optischen Element 43, in eine Vakuumverdampfungsvorrichtung eingesetzt wird, daß SiO₂ auf das reflexionsholografische optische Element als Pufferschicht aufgedampft wird, daß eine erste transparente Glaselektrode (ITO) 48 auf die Pufferschicht aufgedampft wird, und daß die erste transparente Glaselektrode mit einem elektrochemi schen Element (einer EC-Schicht) 47 überzogen wird. Diese EC-Schicht umfaßt fünf Schichten. Ferner werden über der EC-Schicht eine WO₃-Schicht, eine Ta₂O₅-Schicht und eine IrOxNO-Schicht gebildet,(die alle nicht in der Figur gezeigt sind). Eine zweite transpa rente Glaselektrode (ITO) 46 wird über diesen Schichten gebildet. Schließlich wird die zweite transparente Glaselektrode mit einer Schutzschicht 44 überzogen. Wenn eine durch einen Steuerabschnitt 52 gesteuerte Spannung an die beiden ITO 46 und 48 angelegt wird, wird die Durchlässigkeit des Brillendisplay gesteuert. Der Steuerabschnitt 52 ist mit einem Außenlichtfühler 52a und einer Handtaste 52b versehen. Der Steuerabschnitt 52 teilt eine Gleichspannung V_DC auf der Grundlage eines Ausgangssignals entweder von dem Außen lichtfühler 52a oder von der Handtaste 52b. Die so geteilten Spannungen werden an die ITOs 46 und 48 angelegt. Als Ergebnis der oben beschriebenen Durchlässigkeitssteuerung kann die Durchlässigkeit des Brillendisplay in dem Bereich von 10% bis 80% gesteuert werden.

(Sechste Ausführungsform)

Fig. 14 zeigt ein Brillendisplay. Dieses Brillendisplay wird hergestellt durch die Schritte, daß die LCD 40, ausgestattet mit Gegenlichtbeleuchtung, an das Brillenglas 37 angefügt wird, daß Elektroden einer Lichtaussteuervorrichtung 55, welche das in Fig. 13 gezeigte elektrochemische Element 47 umfaßt, verdrahtet werden und ein Brillengestell 42 an die Brillengläser 37 angefügt wird. Folglich ist es möglich, Bildinformation über die Außenwelt zu eliminieren oder Licht zu modulieren, wodurch ein mit der Lichtaussteuervorrichtung 55 ausgestattetes Brillendisplay hergestellt wird. Es ist möglich, nur einen Durchsichtmodus oder einen Bilddisplaymodus zu wählen. Wenn das Brillendisplay mit Kopfhörern 56 verse hen ist, ist es für den Betrachter möglich, TV-Programme oder dergleichen zu sehen.

Fig. 15A und 15B zeigen ein Brillendisplay, welches Bildinformation über eine Licht leitfaser überträgt. In diesem Brillendisplay wird von der LCD 60 ausgegebenes Bildinfor mationslicht 69 zu einem Bündel von Lichtleitfasern oder einer Bildfaser 62 geleitet. Die über das Bündel von Lichtleitfasern oder die Bildfaser 62 aufgenommene Bildinformation passiert eine Linse 63 und wird als ein Zwischenbild 66 hinter der Linse 63 abgebildet. Die ses Zwischenbild 66 wird in der Form eines virtuellen Bildes 67 vor einem Hologramm 64 sichtbar gemacht mittels Beugung sowie der Wirkung der Linse. Das Bündel von Licht leitfasern oder die Bildfaser 62 umfassen eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 62a, die in ei nem Schutzmantel 62b untergebracht sind, wie in Fig. 15B gezeigt. Die Bildfaser 62 be steht aus 3000 oder 100.000 Lichtleitfasern 62a, je nach der Pixeldichte. Die Linse 63 und ein Brillenglas 65 sind zusammengefaßt durch ein lichtdurchlässiges Glied 68. Das Bündel von Lichtleitfasern oder die Bildfaser 62 sind so angeordnet, daß sie mit den Linsen 61 und 63 über optische Verbindungsstücke (nicht gezeigt) optisch verbunden werden können.

Wie oben beschrieben, wird gemäß einem reflexionsholografischen optischen Element, ei nem Herstellverfahren dafür und einer Bilddisplayvorrichtung, welche das reflexionsholo grafische optische Element der Erfindung verwendet, ein Einfallswinkel von Bezugslicht, das während der Herstellung eines Hologramms verwendet wird, in einen vorbestimmten Winkelbereich zur Normalen (der z-Achse) einer holografischen lichtempfindlichen Materi alschicht eingestellt, und ein Einfallswinkel von Rekonstruktionslicht zum Zeitpunkt der Reproduktion eines Bildes wird in einen vorbestimmten Winkelbereich zur Normalen (der z- Achse) des Hologramms eingestellt. Ferner wird ein Verhältnis des Brechungsindex des Hologramms zu dem Brechungsindex eines auf der Seite des Hologramms, in welche das Bezugslicht und das Rekonstruktionslicht eintreten, auf einen vorbestimmten Wert einge stellt. Es ist möglich, einen vorbestimmten Beugungsgrad zu erhalten, selbst wenn die Dicke des Hologramms vermindert ist. Folglich kann das Hologramm in einer aufrechten oder nahezu aufrechten Position angeordnet werden, was eine Größen- und Gewichtsverminde rung des holografischen optischen Elementes ermöglicht. Daher kann das reflexionsholo grafische optische Element in einen kleinen Gegenstand wie eine Brille (glasses) eingebaut werden. Ferner kann als Ergebnis der Dickenverminderung des Hologramms die Produkti vität des Reflexionshologramms verbessert werden, was zur Kostenverminderung führt.

Fig. 16 zeigt ein Brillendisplay gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung. Bril lengläser 57a′ sind eingesetzt in einen Rahmen 7′ mit Nasenauflagen 8′. Das Brillenglas 57a′ umfaßt ein Flüssigkristallpanel 59′, das eine Quelle von Bildinformation ist, und ein Holo gramm 58′, das als Durchsichteinrichtung wirkt, um einen Betrachter anzuregen, ein auf dem Flüssigkristallpanel 59′ sichtbar gemachtes Bild zu sehen. Das Flüssigkristallpanel 59′ wird von hinten beleuchtet mittels eines Gegenlichtes, und dieses Gegenlicht ist in der Figur weggelassen. Als Bildinformationsquelle kann ein EL-Display, ein Plasmadisplay oder ein Display, das einen beweglichen Mikrospiegel verwendet, erwähnt werden. Ein Laserdisplay, in dem ein Laserstrahl abgelenkt wird durch einen AO-Deflektor, oder ein Reflexionsspiegel ist vorzuziehen. Eine zweidimensional angeordnete Lichtquelle (zum Beispiel eine zweidi mensionale Anordnung von Laser oder LEDs) kann auch verwendet werden. Nicht darge stelltes WO₃, Al₂O₃, CrO₃, Ta₂O₅, ZrO₂ und so weiter, das einen Elektrochrominanzeffekt zeigt, ist zwischen das Hologramm 58′ und die Außenwelt eingesetzt in der Form eines die lektrischen dünnen Filmes oder eines festen Elektrolyten. Dieser Film ist zwischengeschich tet zwischen eine transparenten Elektrode (nicht gezeigt) und das Hologramm 58′. Wenn eine Spannung an dieses elektrochemische Element angelegt wird, wird es aus seinem trans parenten Zustand gefärbt. Das Flüssigkristallpanel 59′ und das Hologramm 58′ sind auch in einem Brillenglas 57b′ vorgesehen. Sie sind aus der Figur weggelassen. Eine Audio- Eingabe-Ausgabevorrichtung ist in einer geeigneten Position des Rahmens 7′ vorgesehen, um so eine Stimme des Trägers aufzunehmen, und gibt aufgezeichnete Sprache wieder.

Fig. 17 zeigt Einzelheiten des in Fig. 16 gezeigten Brillendisplays. Ein von dem Flüssig kristallpanel 59′ ausgestrahlter Lichtfluß des Displaybildes wandert unter einem Winkel θ₀ = 13° zur x-Achse (das heißt, unter einem Winkel von 103° zu der z-Achse). Dann wird der Lichtfluß in der Richtung der +z-Achse reflektiert, so daß er in die Augen eintritt. Zu die sem Zeitpunkt kann ein virtuelles Bild des Displaybildes bei einer vorbestimmten Position in der Richtung der -z-Achse gebildet werden. Wie vorher beschrieben, sei angenommen, daß der Winkel θ₀ zwischen der x-Achse und einer gedachten Linie, die durch den Mittelpunkt des Flüssigkristallpanels 59′ in dem Brillenglas 57a′ und das Zentrum des Hologramms 58′ hindurchgeht, 13° beträgt. Wie in der Figur gezeigt, betragen l₁ + l₂ = 25 mm, und der Ab stand zwischen dem Mittelpunkt des Flüssigkristallpanel 59′ und der x-Achse beträgt 5,8 mm. Als Ergebnis der numerischen Beziehung in der Figur werden θ₁ und θ₂ 10,9° bzw. 16,2°. Daher wird eine Winkelöffnung 5,3°. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Flüssigkristallpanel 59′ und dem Mittelpunkt des Hologramms 58′ beträgt 25,7 mm, und das Flüssigkristallpanel 59′ mißt 4 mm mal 4 mm. Daher beträgt ein Feldwinkel Φ etwa 9°. Wenn das Hologramm 58′ die Funktion einer Linse aufweist, kann ein Paraxialstrahl ge handhabt werden.

Fig. 18 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des Hologramms 58′. Das Hologramm wird auf einer fotografischen trockenen Platte 26′ gebildet unter Verwendung einer konvergie renden Welle und einer divergenten Welle. Ein von einem Laser 15′ ausgestrahlter Strahl wird durch einen Spiegel 16′ reflektiert, und der so reflektierte Strahl wird durch einen Halbspiegel 17′ in zwei Strahlen gespalten. Ein Strahl 18′ wird durch einen Halbspiegel 19′ reflektiert, und der so reflektierte Strahl wird durch eine Vergrößerungslinse 20′ in eine di vergente Welle umgewandelt. Der Durchmesser des Strahles wird aufgeweitet auf die Grö ße der Öffnungsweite des Hologramms, und dann wird der Strahl durch eine Kollimations linse 21′ in eine ebene Welle umgewandelt. Der Strahl 18′ schreitet entlang der z-Achse fort und wird vor der fotografischen trockenen Platte 26′ in eine divergierende Welle umgewan delt. Die Brennweite der konvergierenden Welle ist auf 25 mm eingestellt.

Im Gegensatz dazu wird ein Strahl 23′ durch einen Spiegel 24′ reflektiert, und der so reflek tierte Strahl schreitet unter einem Winkel von 13° zur x-Achse fort. Der Strahl wird durch eine Linse 25′ in eine divergente Welle umgewandelt. Die Brennweite der divergierenden Welle ist auf 25 mm eingestellt. Die Strahlen 18′ und 23′ bilden Interferenzstreifen über der fotografischen trockenen Platte 26′. Diese auf der fotografischen trockenen Platte 26′ gebildeten Interferenzstreifen werden durch Entwicklungsprozesse in der Form eines Holo gramms aufgezeichnet. Eine Quelle von Bildinformation ist bei der Brennweite der divergie renden Welle bezüglich des Hologramms gelegen, und der Abstand zwischen den Augen und der Brille wird auf die Brennweite (die zu der Brennweite der konvergierenden Welle äquivalent ist) oder weniger eingestellt, das Hologramm kann die gleiche Funktion wie der Vergrößerungsspiegel aufweisen. Folglich tritt der von der Quelle der Bildinformation her kommende Lichtfluß in das Hologramm ein, so daß nur ein Spektrum erster Ordnung in die Augen eintritt. Als Ergebnis kann ein virtuelles Bild eines Displaybildes gesehen werden in dem Abstand deutlicher Sicht in der Richtung der -z-Achse (das heißt in einem Abstand von -250 mm). Obwohl hier das Verfahren zur Herstellung eines Hologramms unter Verwen dung einer konvergierenden Welle und einer divergenten Welle beschrieben worden ist, kann das Hologramm auch unter Verwendung einer ebenen Welle und einer divergenten Welle hergestellt werden.

Fig. 19 zeigt ein Brillenglas 57a′, auf welches das anhand von Fig. 18 beschriebene Holo gramm-Herstellverfahren angewendet wird. Die Fläche des Brillenglases 57a′ entsprechend der in Fig. 18 gezeigten fotografischen trockenen Platte 26′ wird mit einem lichtempfindli chen Materials 52′ überzogen. Auf dem lichtempfindlichen Material 52′ wird ein solches Hologramm 58′ gebildet, wie in den Fig. 16 und 17 gezeigt.

Fig. 20 zeigt einen Schutzfilm 56′, der auf dem Hologramm 58′ und dem Brillenglas 57a′ gebildet wird, um das Hologramm 58′ zu schützen. Anschließend wird das Flüssigkristallpa nel 59′ in engen Kontakt mit der Stirnfläche des Brillenglases 57a′ gebracht, und das Bril lenglas 57a′ wird in das Gestell 7′ eingesetzt. Dabei kann der Zwischenraum zwischen dem Flüssigkristallpanel 59′ und der Stirnfläche 57a′ mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, die einen vorbestimmten Brechungsindex aufweist. Wenn dies der Fall ist, kommt der von dem Flüssigkristallpanel 59′ herkommende Lichtfluß des Displaybildes bei dem Hologramm 58′ an, ohne daß er durch die Stirnfläche des Brillenglases 57a′ beeinträchtigt wird.

Anhand der Fig. 21 wird die Beziehung zwischen der Sichtbarkeit der Außenwelt und ei nem Teilungsabstand zwischen Interferenzstreifen des Hologramms 58′ beschrieben.

Wenn ein He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 632.8 nm verwendet wird, kann θ_R = 103° und sin θ₀ = 0° erhalten werden, falls die Koordinaten eingestellt werden, wie in Fig. 21 gezeigt. Folglich wird die räumliche Frequenz f mehr als 4000 Linien/mm.

Da eine Person nicht solch ein hohes Auflösungsvermögen aufweist, daß sie die auf der Brille gebildeten Interferenzstreifen unterscheiden kann, ist es für den Anwender möglich, die Bildinformation auf der Außenwelt ausreichend visuell zu erkennen. Für das zum Auf zeichnen des Hologramms 58′ benötigte lichtempfindliche Material 52′ ist es vorteilhaft, ein Auflösungsvermögen von mehr als 4000 Linien/mm aufzuweisen. Die zum Aufzeichnen dieses Hologramms verwendete Lichtquelle erfordert einen hohen Kohärenzgrad, und daher ist ein Laserstrahl wünschenswert. Jedoch ist die Verwendung von kohärentem Licht nicht unvermeidlich. Anstelle von kohärentem Licht kann eine Lichtquelle mit Einfarbigkeit, zum Beispiel hellen Linien einer Quecksilberlampe oder einer Xenonlampe, verwendet werden. Hier ist eine fotografische trockene Silberplatte zur Verwendung als lichtempfindliches Material zum Aufzeichnen eines Hologramms zu verwenden. Zusätzlich können Kunst stoffmaterialien, Ferroelektrika, magneto-optische Materialien, elektrooptische Materialien, amorphe Halbleiter oder lichtbrechende Materialien, zum Beispiel Dichromatgelatine, Pho toresist-Materialien, Photopolymere, Photochrommaterialien, Photodichrommaterialien oder Thermoplaste verwendet werden. Das Hologramm braucht nicht notwendigerweise statisch aufgezeichnet zu werden, sondern dynamisch. Mehr im einzelnen wird eine Spannung an ein Elektrodenmuster angelegt, das vorher auf der Grundlage eines CGH (durch einen Compu ter erzeugte holografische Interferenzstreifen) erzeugt worden ist, ein Brechungsindex- Muster kann durch einen elektrooptischen Effekt gebildet werden.

Oben ist ein Brillendisplay mit einem Durchsichtvermögen beschrieben worden. Als näch stes wird die Beobachtung lediglich der Außenwelt unter Verwendung diese Brillendisplays beschrieben. Die Emission eines Displaybildes bei einer spezifischen Wellenlänge von dem Flüssigkristallpanel 59′ wird beendet durch Abschalten der Stromversorgung. Wenn der Schirm des Flüssigkristallpanels 59′ gefärbt ist, schreitet folglich ausgehendes Licht in der Richtung des Spektrums nullter Ordnung fort, was den Augen gestattet, nur Information der Außenwelt zu erkennen.

Im Gegensatz dazu wird in dem Fall, in dem nur ein Displaybild betrachtet wird, eine Span nung an die transparente Elektrode angelegt, die zwischen den der Außenwelt zugekehrten elektrochemischen Film und das Hologramm 58′ zwischengeschichtet ist, wodurch der elektrochemische Film stark gefärbt wird; zum Beispiel wird er schwarz gefärbt. Eine An steuerspannung beträgt 3 V, und die Energiequelle ist in die Brillengläser eingebaut.

Die Untersuchung und ihre Ergebnisse, die durch die Erfinder der Erfindung bis zur Fertig stellung der Erfindung durchgeführt wurden, wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.

Fig. 22 zeigt, daß eine Person ein 15-Zoll-Display 1′ einer Workstation oder eines Com puters durch das Brillenglas 57a′ beobachtet. Wenn zum Beispiel ein Auflösungsvermögen 1024 × 1280 Punkte beträgt, beträgt ein Längenverhältnis 4 : 5. Es sei angenommen, daß ein Abstand d zwischen Pupillen 2′ der Person und dem Display 1′ auf 60 cm eingestellt ist. Der Durchmesser der Pupille des Benutzers beträgt 2 bis 8 mm. Unter der Annahme, daß die Größe des Displays 1′ 15 Zoll beträgt (das heißt, die Breite quer über die Ecken beträgt 37,5 cm), mißt das Display 23,4 cm lang und 29,3 cm breit. Vorausgesetzt, daß der Durchmesser der Pupille des Benutzers 5 mm beträgt, beträgt ein Feldwinkel Φ in der x- Richtung etwa 23°, und ein Feldwinkel Φ in der y-Richtung beträgt etwa 27°.

Fig. 23 zeigt die Beziehung zwischen dem Rotationszentrum 4A eines Augapfels 4′ und dem Brillenglas 57a′. Der Abstand dl zwischen dem Rotationszentrum 4A des Augapfels 4′ und der Pupille 2′ liegt in einem Bereich von 10 mm bis 20 mm. Wenn eine Person eine Brille trägt, liegt der Abstand d₂ zwischen der Pupille 2′ dieser Person und dem Brillenglas 57a′ in einem Bereich von 8 mm bis 22 mm. Daher gilt d₃ = d₁ + d₂ = 18 bis 42 mm. Unter der Annahme, daß der Abstand d₂ zwischen der Pupille 2′ und dem Brillenglas 57a′ etwa 15 mm beträgt, daß ein Feldwinkel Φ der Person, wenn sie die Workstation betrachtet, und daß θ konstant ist, mißt das auf dem Brillenglas 57a′ erschienene Display 1A′ (Fig. 22) etwa 11 mm Länge und etwa 12 mm Breite. Auf diese Weise paßt das Display 1′ der Workstation in den Bereich 1A des Brillenglases 57a′, der etwa 1 cm × 1 cm mißt. Wenn das Display 1′, das als Quelle von Bildinformation dient, in den Bereich 1A′ des Brillenglases 57a′ eingepaßt wird, ist eine kleine Eintrittspupille 2′ ausreichend, um eine visuelle Erken nung des Displaybildes zuzulassen. Ferner kann der Benutzer natürlich das Brillendisplay tragen, während er es unbewußt trägt.

Fig. 24 zeigt eine Brille entsprechend der in Fig. 16 gezeigten Brille. Die Brille umfaßt die Brillengläser 57a′, 57b′, das Gestell 7′ und die Nasenauflagen 8′. Fig. 25 zeigt das Bril lenglas 57a′ entsprechend dem in Fig. 17 gezeigten Brillenglas. In dieser Figur ist die opti sche Achse die z-Achse, und die vertikale Richtung ist die x-Achse. Zum Beispiel wird der Abstand l₄ zwischen der horizontalen Ebene (das heißt, der z-Achse) und der Oberseite des Brillenglases 57a′ auf etwa 20 mm eingestellt. Ähnlich wird der Abstand l₃ zwischen der horizontalen Ebene und der Unterseite des Brillenglases auf 25 mm eingestellt. Wenn eine Ostwalt-Linse für das Brillenglas 57a′ angenommen wird, beträgt der Krümmungsradius r der Vorderfläche des Brillenglases 57a′ 87,2 mm. Daher beträgt der Abstand l₇ zwischen der x-Achse und einem unteren Abschnitt des Brillenglases 57a′ 3,7 mm. Unter der Annahme, daß die Öffnungsweite des Hologramms 58′ 10 mm beträgt (ein Kreis mit einem Radius von 5 mm), daß der Abstand l₈ zwischen dem Mittelpunkt des Hologramms 58′ und dem Mittel punkt des Flüssigkristallpanel 59′ 25 mm beträgt, daß das Flüssigkristallpanel 59′ 4 mm × 4 mm mißt, und daß die Dicke des Glases 57a′ 5 mm beträgt, kann das Flüssigkristallpanel 59′ in das Brillenglas 57a′ eingebaut werden, solange der Winkel θ zwischen der x-Achse und einer gedachten Linie, die durch den Mittelpunkt des Flüssigkristallpanels 59′ und den Mit telpunkt des Hologramms 58′ hindurchgeht, auf 12,8° eingestellt ist.

Wenn der Winkel zwischen der x-Achse und der gedachten Linie, die durch den Mittelpunkt des Hologramms 58′ und des Flüssigkristallpanels 59′ hindurchgeht, so eingestellt wird, daß er mehr als 12,8° wird, wird das Flüssigkristallpanel 59′ in die Nasenauflagen 8′ eingebaut. Auf jeden Fall bietet der von dem Flüssigkristallpanel 59′ ausgehende Lichtfluß eine Lin senfähigkeit für das Hologramm 58′, das Spektrum nullter Ordnung wandert unter einem Winkel von 13° zur x-Achse. Im Gegensatz dazu wird das Spektrum erster Ordnung unter dem Einfluß von Interferenzstreifen des Hologramms 58′ reflektiert. Schließlich wandert es in Richtung der +z-Achse. Daher kann der Benutzer ein virtuelles Bild in der -z- Achsenrichtung erkennen, welches für den Benutzer beobachtbar ist.

Fig. 26 zeigt das Prinzip eines Vergrößerungsspiegels (das heißt, eines Vergrößerungsgla ses). Eine Konvexlinse 30′ mit einer Brennweite f wird als ein Vergrößerungsspiegel (das heißt, ein Vergrößerungsglas) verwendet. Ein vergrößertes aufrechtes virtuelles Bild 33′ eines kleinen Gegenstandes 32′, der zwischen einem vorderseitigen Brennpunkt F und der Konvexlinse angeordnet ist, wird durch die Augen 4′ unter Verwendung der Konvexlinse 30′ beobachtet. Die paraxiale Abbildungsbeziehung dieses optischen Systems kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden unter der Annahme, daß der Abstand des ob jektseitigen Brennpunktes F und der Abstand eines bildseitigen Brennpunktes F′ f bzw. f′ betragen, daß der Abstand zwischen der Konvexlinse 30′ und dem Objekt 32′ s bzw. s′ be tragen, daß die Höhen eines Objektes 32′ und eines Bildes 33′ y bzw. y′ betragen, daß der Abstand zwischen der Konvexlinse 30′ und dem Bild 33′ e beträgt, und daß der Abstand zwischen der Konvexlinse 30′ und dem Auge 4′ D′ (= e - s′) beträgt.

l/s′-l/s=l/f′
y′/y=s′/s

Wenn ein Feldwinkel des Bildes 33′ ω′ ist, gilt

tan ω′ =y′/D′=y′/f′-s′.

Wenn im Gegensatz dazu angenommen wird, daß der Feldwinkel, der erhalten wird, wenn der Benutzer das Objekt 32′ direkt visuell beobachtet über eine Entfernung D (= 250 mm) ohne Verwendung des Vergrößerungsglases, ω beträgt, wird die folgende Beziehung erhal ten:

tan ω = y/D.

Daher wird eine Winkelvergrößerung F folgendermaßen definiert:

Γ = tan ω′/tan ω = (y′D)/(yD) = {D(f′-s′)}/{f′(e-s′)}

=(D/f′){(f/s′-l)/(e/s′-l)}.

Zum Beispiel beobachtet der Benutzer in einem natürlichen Zustand, ohne die Augen 4′ an zustrengen. Angenommen, daß der Abstand zwischen der Linse 30′ und dem Auge 4′ nahe zu gleich der Brennweite f′ ist. Die Brechkraft 4′ wird gesteuert um unendlich fern anzuvi sieren. Daher werden D′ = -∞, s′ = -∞ und D = 250 mm in den Ausdruck der Winkelver größerung Γ eingesetzt. Es wird die folgende Beziehung erhalten:

Γ = 250/f′.

Dabei ist s = -f′, und daher entspricht die vorliegende Anordnung dem Fall, in dem das Ob jekt 32′ bei dem vorderseitigen Brennpunkt F der Konvexlinse 30′ gelegen ist. Wenn zum Beispiel f= 25 mm (=f′), wird die Winkelvergrößerung Γ mit 10 multipliziert. Es ist nutzlos, diese Vergrößerung unmittelbar in ein Tiefenverhältnis (longitudinal magnification) umzu wandeln. Eine zehnfache Verbesserung der Winkelvergrößerung bedeutet, daß der geringste Abstand des deutlichen Sehens von 1 mm auf 0,1 mm verbessert worden ist. Genauer ge sagt bedeutet das, daß das Auflösungsvermögen um den Faktor zehn verbessert worden ist. Selbst wenn der Abstand zwischen der Konvexlinse 30′ und dem Auge 4′ kleiner als die Brennweite f′ ist, kann der Benutzer noch das virtuelle Bild 33′ erkennen mittels der Kraft des Auges 4′ zum Steuern der Brechkraft auf die gleiche Art, wie oben beschrieben.

Die räumliche Frequenz f, welche das Auge erkennen kann, hängt ab von der Helligkeit und dem Durchmesser der Pupille. Wenn die Augen verengt werden, wenn der Brennpunkt auf eine entfernte Position verändert wird, oder wenn der Durchmesser der Pupille vergrößert wird, wird eine erkennbare räumliche Frequenz größer. Das Buch mit dem Titel "Optical Technology Handbook" von Kubota et al., Asakura Shoten, pp. 744 enthält eine Beschrei bung, die lautet:" Die räumliche Frequenz f, welche die Augen erkennen können, hat ihren Spitzenwert bei 15 Linien/mm". Außerdem enthält das Buch mit dem Titel "Optics" (Physics of Science Library, No. 9, kazumi MURATA, Science Co., Ltd., pp. 211) eine Be schreibung, die lautet: "MTF einschließlich dem Sehvermögen zeigt die Charakteristiken eines Banddurchlaßfilters, das sein Maximum in der Nähe von 0,05 Linien/min aufweist. Eine cut-off-Frequenz des MTF beträgt etwa 1 Linie/min." Die cut-off-Frequenz f bei dem geringsten Abstand deutlichen Sehens, berechnet aus den oben beschriebenen Faktoren (das heißt, 250 mm), beträgt 14 Linien/mm. Daher beträgt die Grenze des Intervalls, das die Per son unterscheiden kann, 67 µm.

Angenommen, die Punktgrenze, welche die Person unterscheiden kann, beträgt 14 Licht punkte/mm. Da die Winkelvergrößerung zehnfach ist, ist der Punkt, den die Person bei Verwendung eines Vergrößerungsglases unterscheiden kann, 140 Lichtpunkte/mm. Wenn das Display sich im Einverständnis mit den VGA-Standards befindet (ein Lichtfleck weist eine 640 × 480 Matrix von Pixeln auf), mißt das Display, zum Beispiel das vorher beschrie bene Flüssigkristallpanel 59′, 4,6 mm × 3,4 mm. Dabei mißt der Lichtfleck etwa 7 µm. Wenn ein Auflösungsvermögen dieses Niveaus benötigt wird, ist es nur erforderlich, ein zweidi mensionales Bild durch Abtasten eines Laserstrahls sichtbar zu machen.

Fig. 27A zeigt Wellenfronten, die entwickelt werden, wenn ein Punkt auf dem Hologramm aufgezeichnet wird. Das Hologramm 58′ ist eine Fotografie, welche Interferenzstreifen auf zeichnet, die entwickelt werden zwischen durch das Objekt reflektierten Wellenfronten und als Bezugslicht 36′ bezeichnete ebene Wellen (oder das von einer Punktlichtquelle herkom mende Licht). Das von dem Objektpunkt 35′ ausgehende Licht sind konzentrische Wellen fronten. Interferenz entsteht als Folge der Anwendung des Bezugslichtes 36′ ebener Wellen auf die konzentrischen Wellenfronten von oberhalb des Hologramms 58′ unter einem Win kel, wodurch Interferenzstreifen entstehen.

Fig. 27B zeigt die Reproduktion (oder Rekonstruktion) eines Bildes. Das Hologramm 58′ wird beleuchtet durch das Bezugslicht 38′ ebener Wellen, welches das gleiche ist wie das in einem Aufzeichnungsvorgang verwendete Bezugslicht 36′. Der Winkel, unter dem Licht beugt, hängt ab von dem Teilungsabstand zwischen den auf dem Hologramm aufgezeich neten Interferenzstreifen. Wenn die Richtung des so gebeugten Lichtes überprüft wird, scheint es, daß Licht von der Position 39′ ausgeht, die dem Objektpunkt 35′ zum Zeitpunkt eines Aufzeichnungsvorgangs entspricht. Ähnlich wird ein Gegenstand, welcher einen be stimmten Bereich aufweist wie beispielsweise ein gemeinsames Thema, auch dreidimensio nal reproduziert, solange der Gegenstand als zerlegt in Objektpunkte angesehen wird. Das Hologramm 58′ kann auch als Linse verwendet werden unter Nutzung solch eines Abbil dungsvorgangs des Hologramms.

Die Fig. 28A und 28B zeigen auch die Herstellung des Hologramms 58′ bzw. die Re produktion eines Bildes. In Fig. 28A wird das Hologramm 58′ hergestellt unter Verwen dung divergenter sphärischer Wellen, die von einer Punktlichtquelle 40a′ ausgehen, und sphärischer Wellen 41′, die an einem Punkt 41a′ konvergieren als Objektlicht-Wellenfronten bzw. Bezugslicht. Wie in Fig. 28B gezeigt, ist ein Objekt 43′ in der Nähe einer Objekt punktlichtquelle 43a′ gelegen. Wenn das Objekt 43′ durch monochromatisches Licht 44′ bestrahlt wird, wird ein reelles Bild 45′ des Objektes 43′ in der Nähe einer Bezugslichtquelle gebildet. Die dabei erhaltene Abbildungsbeziehung kann auf die gleiche Art behandelt wer den wie in dem Fall geometrischer Optik eines exzentrischen optischen Systems, welches das Zentrum der divergenten Wellen und der konvergierenden Wellen und das Zentrum des Hologramms verbindet.

Fig. 29 zeigt ein Brillendisplay gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Das Brillendisplay der achten Ausführungsform umfaßt das Flüssigkristallpanel 59′, das an den Brillengläsern 57a′ und 57b′ angebracht ist. Im Gegensatz dazu ist bei dem Brillendisplay der vorliegenden Ausführungsform das Flüssigkristallpanel 59′ in die Nasenauflage 8′ des Ge stells 7′ eingebettet. Diese Brillendisplays sind miteinander identisch bezüglich der anderen Merkmale. Das Hologramm 58′ und das Flüssigkristallpanel 59′ sind mit einem nicht darge stellten Schutzfilm überzogen.

Fig. 30 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des Hologramms 58′. Die Erläuterung der überlappenden Elemente wird hier übergangen. Das lichtempfindliche Material 52′ wird auf die Reflexionsseite des Brillenglases 57a′ aufgebracht.

Fig. 31 zeigt ein Brillendisplay gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. Das Brillendisplay umfaßt eine Laserlichtquelle 73′, die an das Brillenglas 57a′ angefügt ist, einen Deflektor 72′, der ein akusto-optisches (AO) Element nutzt, einen Reflexionsspiegel 75′, der eine Fläche des Brillenglases 57a′ nutzt, einen Fluoreszenzschirm, der ein Bild wiedergibt bei Empfang eines Laserstrahls, (oder einen einfachen Schirm) 74′ sowie das Hologramm 58′. Diese Elemente können an dem anderen Brillenglas (nicht gezeigt) auf die gleiche Art angebracht werden. Eine optische Länge zwischen der Laserlichtquelle 73′ und dem Fluo reszenzschirm 74′ beträgt etwa 12 cm. Wenn TeO₂ als der Deflektor 72′ verwendet wird, wird ein Ablenkungswinkel von 2° erhalten, und die Anzahl von Auflösungspunkten wird 160°. Wenn der Deflektor 72′ zweidimensional angeordnet ist, mißt der Fluoreszenzschirm 74′ 41 mm × 41 mm, und die Auflösung beträgt 1600 × 1600.

Wenn in der vorerwähnten Anordnung der Laserstrahl, moduliert entsprechend einem Bild signal, von der Laserlichtquelle 73′ emittiert wird, wird dieser Laserstrahl abgelenkt durch akustische Energie, die gemäß einer an der Deflektor 72′ angelegten Steuerspannung ent wickelt wird. Der so abgelenkte Laserstrahl wird durch den Reflexionsspiegel 75′ reflektiert, um so den Fluoreszenzschirm 74′ abzurastern. Folglich wird ein Bild auf dem Fluoreszenz schirm 74′ sichtbar gemacht. Ein Lichtfluß des Displaybildes des Fluoreszenzschirmes 74′ wird durch das Hologramm 58′ empfangen. Wie in der achten und neunten Ausführungs form beschrieben worden ist, erkennen die Augen des Benutzers, der das Brillendisplay trägt, das Bild visuell. Als ein Ergebnis könnte es ein Bilddisplay äquivalent einem durch eine Workstation von SUN erhalten haben, das heißt, das Brillendisplay erfüllt die SVGA- Spezifikationen.

Die Fig. 32A bis 32C zeigen ein Brillendisplay gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung. Fig. 32A zeigt einen transparenten Ansatz 75′ mit dem eingebauten Holo gramm 58′. Wenn der Ansatz an dem in Fig. 32B gezeigten Brillenglas 57a′ angebracht ist, das Linsenkraft aufweist und in Benutzung ist, wird das Brillenglas 57a′ mit dem Holo gramm 58′ erhalten, wie in Fig. 32C gezeigt. Wenn dieses Brillenglas 57a′ an einem Gestell (nicht gezeigt) angebracht wird, das eine Bildinformationsquelle wie ein Flüssigkristallpanel aufweist, kann solch ein Brillendisplay erhalten werden, wie es beschrieben worden ist.

Fig. 33 zeigt ein Brillendisplay gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung. Den gleichen Merkmalen wie den in Fig. 31 gezeigten sind die gleichen Bezugszeichen erteilt, und ihre Erläuterungen werden zwecks Kürze hier weggelassen. Das Brillendisplay der vor liegenden Erfindung unterscheidet sich von dem in Fig. 31 gezeigten Brillendisplay nur darin, daß es eine Linse 82′ mit variablem Brennpunkt aufweist. Die brennpunktvariable Linse 82′ wird gebildet, indem ein dünner Film (nicht gezeigt) mit einem elektrooptischen Effekt (EO) über dem Brillenglas 57a′ gebildet wird, und indem eine transparente Elektrode 82a′ auf dem dünnen Film konzentrisch bezüglich der brennpunktvariablen Linse 82′ gebildet wird. Wenn eine Spannung an die so konzentrisch gebildete transparente Elektrode 82a′ auf selektive Art angelegt wird, wird unter Verwendung des EO-Effektes ein brennpunktvaria bler Effekt erhalten. Dementsprechend ist es möglich, ein Brillendisplay zu schaffen, wel ches sich verdoppelt als Brille zur Verwendung bei einer kurzsichtigen Person oder als Konvexbrille zur Verwendung bei Älteren und keine Bearbeitungsvorgänge benötigt.

Wie oben beschrieben worden ist, sind die Komponenten des Brillendisplays der Erfindung in ihrer Größe vermindert. Folglich kann das Brillendisplay in die Brille eingepaßt werden Folglich kann der Benutzer das Brillendisplay verwenden ohne ein Gefühl, einen hinderli chen Gegenstand zu tragen. Das Brillendisplay kann zum Beispiel auf dem Gebiet von Computerdisplays, Souffleuren, Head-up-Displays zur Verwendung in Fahrzeugen oder Flugzeugen oder helmmontierten Displays verwendet werden.

Claims

1. Reflexionsholografisches optisches Element, gekennzeichnet durch
ein Medium mit Brechungsindex (2, 37, 57a′), das einen ersten Brechungsindex besitzt und die Hauptebene und eine daran gebildete Endfläche aufweist,
einen holografischen Film (6, 19, 43, 58′), der einen zweiten Brechungsindex besitzt und auf der Hauptebene des Mediums mit Brechungsindex zu einer vorbestimmten Dicke ausgebil det ist,
und eine Rekonstruktionslicht-Einfalleinrichtung (10, 22, 40, 59′), um zuzulassen, daß Re konstruktionslicht in den holografischen Film (6, 19, 43, 58′) eintritt von der Endfläche des Medium mit Brechungsindex (2, 37, 57a′) her unter einem vorbestimmten Winkel zur Nor malen des holografischen Filmes.

2. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Rekonstruktionslicht-Einfalleinrichtung den vorbestimmten Einfallswinkel des Rekonstruktionslichtes auf den Bereich von 92° bis 122° oder den Bereich von -92° bis -122° einstellt.

3. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Medium mit Brechungsindex den ersten Brechungsindex aufweist, der mehr als 0,8 mal so groß ist wie der zweite Brechungsindex des holografischen Filmes.

4. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der holografische Film einen Beugungsgrad von mehr als 55% bezüglich des Re konstruktionslichtes aufweist.

5. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Medium mit Brechungsindex ein transparentes Glassubstrat (2) oder ein trans parentes Kunststoffsubstrat (2) umfaßt.

6. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Medium mit Brechungsindex ein Prisma (15) umfaßt.

7. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Medium mit Brechungsindex einen Verbund umfaßt, der hergestellt ist, indem ein transparentes Glassubstrat in engen Kontakt mit einem Prisma gebracht wird.

8. Reflexionsholografisches optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die vorbestimmte Dicke des holografischen Filmes weniger 20 µm aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines reflexionsholografischen optischen Elementes, ge kennzeichnet durch die Schritte,
daß eine Hauptebene eines Mediums mit Brechungsindex, das einen ersten Brechungsin dex besitzt und die Hauptebene und eine daran gebildete Endfläche aufweist,
auf eine vorbestimmte Dicke überzogen wird mit einem holografischen lichtempfindlichen Material, das einen zweiten Brechungsindex aufweist,
daß Bezugslicht induziert wird, in das holografische lichtempfindliche Material von der Endfläche des Mediums mit Brechungsindex her einzutreten unter einem ersten vorbe stimmten Winkel zu der Normalen des holografischen lichtempfindlichen Materials, und Objektlicht induziert wird, in das holografische lichtempfindliche Material einzutreten von der entgegengesetzten Seite des Mediums mit Brechungsindex unter einem zweiten vorbe stimmten Winkel zu der Normalen,
und daß ein holografischer Film auf der Hauptebene des Mediums mit Brechungsindex gebildet wird durch Entwickeln von Interferenzstreifen des holografischen lichtempfindli chen Materials, die durch das Bezugslicht und das Objektlicht gebildet worden sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines reflexionsholografischen optischen Elementes nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugslicht in das holografische lichtemp findliche Material eintritt durch Einstellen des ersten vorbestimmten Winkels in dem Bereich von 32° bis 122° oder dem Bereich von -32° bis -122° und das Objektlicht in das holografi sche lichtempfindliche Material eintritt durch Einstellen des zweiten vorbestimmten Winkels in dem Bereich von 0° bis 120°.

11. Verfahren zur Herstellung eines reflexionsholografischen optischen Elementes nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptebene des Mediums mit Brechungsin dex, das den ersten Brechungsindex von mehr als 0,8 mal so groß wie der zweite Bre chungsindex aufweist, mit dem holografischen lichtempfindlichen Material überzogen wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines reflexionsholografischen optischen Elementes nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes und ein zweites Prisma miteinander verkittet werden und das holografische lichtempfindliche Material auf die Hauptebene des ersten Prismas als die Hauptebene des Mediums mit Brechungsindex aufgebracht wird,
und daß der holografische Film auf der Hauptebene des ersten Prismas gebildet wird, an welche ein drittes Prisma, das kleiner ist als das zweite Prisma, nach dem Entfernen des zweiten Prismas angeklebt wird.

13. Bilddisplayvorrichtung, gekennzeichnet durch
ein Medium mit Brechungsindex (37, 57a′), das einen ersten Brechungsindex besitzt und die Hauptebene und eine daran gebildete Endfläche (37a) aufweist,
einen holografischen Film (43, 58′), der einen zweiten Brechungsindex besitzt und auf der Hauptebene des Mediums mit Brechungsindex (37, 57a′) zu einer vorbestimmten Dicke aus gebildet ist,
und eine Bilddisplayeinrichtung (40, 59), die dazu dient, Displaylicht zu induzieren, in den holografischen Film (43, 58′) einzutreten als Rekonstruktionslicht von der Endfläche (37a) des Mediums mit Brechungsindex (37, 57a′) unter einem vorbestimmten Winkel zu der Normalen des holografischen Filmes (43, 58′).

14. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddis playeinrichtung (40) eine Bilddisplayfläche umfaßt, die in engen Kontakt mit der Endfläche (37a) des Mediums mit Brechungsindex (37) gebracht ist.

15. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddis playeinrichtung den vorbestimmten Einfallswinkel des Bilddisplaylichtes einstellt auf den Bereich von 92° bis 122° oder den Bereich von -92° bis -122°.

16. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Brechungsindex den ersten Brechungsindex aufweist, der mehr als 0,8 mal so groß ist wie der zweite Brechungsindex des holografischen Filmes.

17. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der holo grafische Film einen Beugungsgrad von mehr als 55% bezüglich des Rekonstruktionslichtes aufweist.

18. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Brechungsindex ein transparentes Glassubstrat oder ein transparentes Kunststoffsubstrat umfaßt.

19. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Brechungsindex ein Prisma umfaßt.

20. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Brechungsindex einen Verbund umfaßt, der hergestellt wird, indem ein transparentes Glassubstrat in engen Kontakt mit einem Prisma gebracht wird.

21. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der holo grafische Film die vorbestimmte Dicke von weniger als 20 µm aufweist.

22. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Brechungsindex Brillengläser (37, 57a′) sind, die durch ein Gestell (42, 7′) gehalten wer den.

23. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bril lengläser (37) mit einer Lichtmodulationseinrichtung (55) versehen sind, um eine Durch strahlung von externem Licht zu der Außenweltseite des holografischen Filmes (43) zu gestatten oder zu unterbrechen.

24. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddis playeinrichtung (40, 59′) in dem Gestell (42, 7′) angebracht oder in die Brillengläser (57a′) eingebaut sind.

25. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der holo grafische Film (43) durch einen Schutzfilm (44) geschützt ist.

26. die Bilddisplayeinrichtung mit den Brillengläsern (57a′) optisch verbunden ist durch ein Lichtfaserbündel (62 oder eine Bildfaser.

27. Bilddisplayvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht modulationseinrichtung (55) ein elektrochemisches Element umfaßt.