CN1957269A - 光学元件、合成器光学系统以及图像显示单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有内部反射功能和透视特性的光传播的光学元件，即便诸如高于周围介质折射率的折射件的部件与其表面紧密接触也不会损害该反射功能和透视特性。该光学元件的特征在于包括能够使预定的光通量传播通过其里面的平面基片和光学功能单元，该光学功能单元设置成与传播的预定光通量能到达的该平面基片的表面紧密接触，并具有反射该预定光通量并透射到达该表面的外部光通量的干涉或衍射作用。使用时这种光学功能元件能够实现容易具有诸如屈光度校正的功能的合成器光学系统，和具有诸如屈光度校正的功能的图像显示单元。

Description

光学元件、合成器光学系统以及图像显示单元

技术领域

本发明涉及一种具有透视特性的光传播的光学元件、利用该光学元件的合成器光学系统以及利用该合成器光学系统的图像显示单元。

背景技术

存在于诸如空气、真空或其他气体的低折射率介质中的诸如玻璃基片的高折射率材料(透明的基片)引起光以大于只用透明基片才有的临界角的角度入射在其上的通量的内部反射，同时透射以小于该临界角的角度入射在其上的光通量，也就是说，它具有内部反射功能和透视特性。

利用这种透明基片作为光传播光学元件的一种图像显示单元是眼镜显示器(专利文献1、专利文献2等)。

在眼睛显示器中，透明的基片设置在观察者眼睛的前面，来自图像显示元件的图像传输(carry)光通量在透明基片中传播到离观察眼睛的瞳孔非常近的位置，而且被重叠在诸如设置在该透明基片中的半反射镜的合成器上的外部光通量上，然后入射在该瞳孔上。

这种眼镜显示器使观察者能够同时观察外部视场的图像和该图像显示元件的图像。

为了实现眼镜显示器的广泛的应用，除了其他各种功能之外需要增加和眼镜同样的功能(屈光度校正)。

专利文献1：日本未审查专利申请公布号2001-264682

专利文献2：日本内部公布号2003-536102

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在利用透明基片的内部反射功能的眼睛显示器中，透明基片自身不可能具有弯曲表面，因而不可能具有折射能力，也不可能在该透明基片上粘贴具有折射率的另外的折射件(具有等于或大于该透明基片的折射率的平凸透镜或平凹透镜)。

因此，作为增加屈光度校正的方法，目前考虑的想法是将这种折射件经由空气隙附着在透明基片的表面上，但是这样做涉及到下面所述的各种困难。

例如，在保持具有所需精度的空气隙的同时很难获得机械强度，而且，该方法伴随有零件数目、重量和厚度等的增加，因而增加制造工艺的复杂性，并且增加成本。还有，根据观察眼睛和透明基片之间的位置关系，被空气隙反射的过多的光有时入射在观察眼睛上，这损害明视度。

鉴于这些问题提出本发明，本发明的目的是提供一种具有内部反射功能和透视特性的光传播的光学元件，即便诸如折射率高于周围介质的折射件的部件与其表面紧密接触也不会损害该反射功能和透视特性。

本发明的目的是提供一种能够容易具有诸如屈光度校正的功能的合成器光学系统，和能够容易具有诸如屈光度校正功能的图像显示单元。

解决问题的手段

本发明的光学元件的特征在于包括能够使预定的光通量传播通过其里面的平面基片；和光学功能单元，该光学功能单元设置成与该传播的预定光通量能到达的该平面基片的表面紧密接触，并具有反射该预定的光通量、与到达该表面的该外部光通量发生干涉、或衍射该外部光通量的作用。

该光学功能单元可以具有沿着具体方向反射偏振的该预定的光通量和沿着另外的方向透射偏振的光通量的性质。

该光学功能单元可以具有以所希望的反射特性反射以等于或大于临界角的入射角到达该表面的预定的光通量的性质。该临界角由所述平面基片和空气的折射率确定，并且是该平面基片内的光通量被全反射的条件。

而且，该光学功能单元可以具有减少外部光通量而不增加该预定光通量光路的光强衰减的功能。

本发明的合成器光学系统的特征在于包括：本发明的光学元件和设置在该光学元件中的合成器，从预定的图像显示元件发射的图像传输(image-carrying)光通量在该光学元件中传播，并且该光学元件至少以该平面基片面向该观察眼睛的状态将从外部视场引导的外部光通量透射到观察眼睛，该合成器反射已经在该平面基片中沿着该观察眼睛的方向传播的图像传输光通量，并透射该外部光通量。

该光学功能单元可以是设置在该平面基片表面上的光学薄膜，并且第二平面基片可以设置在该光学薄膜上。

而且，该第二平面基片可以是用于屈光度校正的折射器。

而且，该光学功能单元可以设置在该平面基片的外侧表面上，并且包括该光学功能单元和该第二平面基片的整个光学系统可以具有减少该外部光通量而不增加该图像传输光通量光路的光强衰减的功能。

该第二基片可以具有吸收可见光的性质。

而且，该光学薄膜可以具有减少该外部光通量而不增加该图像传输光通量光路的光强衰减的功能。

而且，该光学薄膜可以用金属和/或电介质制造。

而且，该光学薄膜可以用全息光学薄膜制造。

而且，第二光学薄膜可以设置在该第二平面基片的表面上。

而且，该第二光学薄膜可以用金属和/或电介质制造。

而且，该第二光学薄膜可以用全息光学薄膜制造。

而且，该第二光学薄膜可以用电致变色薄膜制造。

而且，该第二光学薄膜可以用光致变色薄膜制造。

而且，包括该光学功能单元和第二平面基片的整个光学系统可以减少入射在该合成器上的外部光通量，其减少比例高于其余外部光通量的减少比例。

本发明的合成器光学系统还可以包括导向反射镜，用于沿着使该图像传输光通量能够在该平面基片中被内表面反射的方向，引导从该图像显示单元发射的图像传输光通量。

本发明的图像显示单元的特征在于包括：用于发射用于图像显示的图像传输光通量的图像显示元件，和用于将该图像传输光通量引导到观察眼睛的本发明的合成器光学系统。

该图像显示单元还可以包括安装部件，用该安装部件该合成器光学系统被戴在观察者的头上。

本发明的效果

根据本发明，所实现的传播光的光学元件具有内部反射功能和透视特性，即便折射率高于周围介质的折射件的部件与其表面紧密接触该反射功能和透视特性也不会被损害。

根据本发明，实现能够容易具有诸如屈光度校正功能的合成器光学系统，和能够容易具有诸如屈光度校正功能的图像显示单元。

附图说明

图1是第一实施例的眼睛显示器外观图；

图2是第一实施例的眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图；

图3是示出存在于空气中的玻璃基片的反射比的角度特性的曲线图；

图4是示出用于制造HOE35的光学系统的视图；

图5是示出第一实例的反射比的角度特性的曲线图；

图6是示出第一实例的竖直入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图7是示出第一实例的60°入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图8是示出第二实例的反射比的角度特性的曲线图；

图9是示出第二实例的竖直入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图10是示出第二实例的60°入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图11是示出第三实例的反射比的角度特性的曲线图；

图12是示出第三实例的竖直入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图13是示出第三实例的60°入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图14是示出第四实例的薄膜结构的图表；

图15是示出第四实例的反射比的角度特性的曲线图；

图16是示出第四实例的竖直入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图17是示出第四实例的60°入射光的反射比波长特性的曲线图；

图18是示出第五实例的薄膜结构的图表；

图19是示出第五实例的反射比的角度特性的曲线图；

图20是示出第五实例的竖直入射光的反射比的波长特性的曲线图；

图21是示出第五实例的60°入射光的反射比波长特性的曲线图；

图22是第二实施例的眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图；

图23是示出用于制造应用于第二实施例的增强的反射薄膜22a的HOE的光学系统的视图；

图24是示出第六实例的薄膜结构的图表；

图25示出以第六实例的小入射角(0°～20°入射角)的入射光的反射比的波长特性；

图26示出以第六实例的大入射角(35°，40°入射角)的入射光的反射比的波长特性；

图27示出第六实例的绝缘性光学多层薄膜对各波长的光的反射比的角度特性；

图28是第三实施例的眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图；

图29是示出第七实例的薄膜结构的图表；

图30示出以第七实例的小入射角(0°～20°)的入射光的反射比的波长特性；

图31示出以第七实例的大入射角(35°～50°)的入射光的反射比的波长特性；

图32示出第七实例的绝缘性光学多层薄膜对相应波长的光的反射比的角度特性；

图33是第四实施例的眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图；

图34是第五实施例的眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图；

图35是第六实施例的眼镜显示器的光学系统部分的分解图；

图36是说明第七实施例的眼镜显示器的视图；

图37是第八实施例的眼镜显示器的外观图；

图38是第八实例的眼镜显示器的光学系统的详图；

图39示出银层的折射率的波长特性；

图40示出银层的消光系数的波长特性；

图41示出第八实施例的减光薄膜20的平基片11侧的反射比和透射比的波长特性；

图42示出第八实施例的减光薄膜20的平基片11侧的反射比和透射比的角度特性；

图43示出第八实施例的第一修改实例的减光薄膜20的薄膜结构的图表；

图44示出第八实施例的第一修改实例的减光薄膜20的透射比的波长特性；

图45示出第八实施例的第二修改实例的减光薄膜20的薄膜结构的图表；

图46示出第八实施例的第二修改实例的减光薄膜20的透射比的波长特性；

图47(a)是用于说明在平面基片11的空气侧界面上的反射的视图，而(b)是用于说明在平面基片11的减光薄膜20侧界面上的反射的视图；

图48示出第一修改实例和第二修改实例的减光薄膜20的平面基片11侧的反射比的角度特性；

图49示出氧化钛(TiO₂)的折射率的波长特性；

图50示出氧化钛(TiO₂)的消光系数的波长特性；

图51示出第八实施例的第三修改实例的减光薄膜20的薄膜结构的图表；

图52示出第八实施例的第三修改实例的减光薄膜20的透射比的波长特性；

图53示出第八实施例的第三修改实例的减光薄膜20的平面基片11侧的反射比的波长特性；

图54是第九实施例的眼镜显示器的外观图；

图55是第九实施例的眼镜显示器的光学系统的详图；

图56是第九实施例的减光薄膜20、40的薄膜结构的图表；

图57示出减光薄膜20、40的中心区的透射比的波长特性和减光薄膜20的周边区的透射比的波长特性；

图58示出第九实施例的第一修改实例的减光薄膜20、40的中心区的透射比的波长特性；

图59示出第九实施例的第一修改实例的减光薄膜20的平面基片11侧的反射的角度特性(中心区特性)；

图60是用于说明全息光学薄膜的制造的第一次曝光的视图；

图61是用于说明全息光学薄膜的制造的第二次曝光的视图；

图62是第十实施例的眼镜显示的一个实例；

图63是该眼镜显示器的光学系统的详图

图64是示出具有1.50折射率和1mm厚度的玻璃基片的消光系数k和透射比之间的关系的图表；

图65示出第一光学薄膜60的平面基片11侧的反射比的波长特性；

图66示出第一光学薄膜60的第二平面基片70侧的反射比的角度特性。

具体实施方式

【第一实施例】

以下将参考图1、图2、图3和图4描述本发明的第一实施例。

这个实施例是眼镜显示器(对应于权利要求中的图像显示单元)的实施例。

首先，描述该眼镜显示器的结构。

如图1所示，该眼镜显示器包括图像显示光学系统1、图像输入单元2、电缆3等。该图像显示光学单元1和图像输入单元2由类似于眼镜框架的支撑件4支撑，并且被戴在观察者的头上(该支撑件4包括边撑4a、支圈4b、桥接件4c等)。

该图像显示光学系统1具有类似于眼镜镜片的外观并且其周边被该支圈4b支撑。

该图像输入单元2由边撑4a支撑。图像输入单元2经由电缆3从外部装置供给图像信号和电源。

当眼镜显示器被戴上时，图像显示光学系统1设置在观察者的一只眼睛的前面(以下，假定是右眼并称之为“观察眼睛”)。以下将根据观察者和该观察眼睛的位置描述被观察者戴上的眼镜显示器。

如图2所示，该图像输入单元2具有：基于经由电缆3供给的图像信号显示图像的液晶显示元件21(对应于权利要求中的图像显示元件)；和其焦点在该液晶显示元件21附近的物镜22。

该图像输入单元2发射图像传输光通量L1(可见光)，该光通量从物镜22出射到该图像显示光学系统1的观察者一侧的表面的右端部分。

该图像显示光学系统1包括平面基片13、平面基片11和平面基片12，其从观察者一侧的次序以紧密接触的方式重叠。

平面基片13、平面基片11和平面基片12，每个由具有至少透射可见光性质的材料(例如光学玻璃)制造。

其中，该平面基片11是反复地引起图像传输光通量L1的内部反射的平面平行板，该光通量从图像输入单元2进入外侧表面11-1上和观察者一侧的表面11-2(对应于权利要求中的平面基片)。

该平面基片12设置在平面基片11的外侧上，起观察眼睛的屈光度校正作用。该平面基片12是其外侧表面12-1是平表面二观察者侧表面12-2是曲面的透镜。

设置在该平面基片11的观察者侧上的该平面基片13也起观察眼睛的屈光度校正作用。该平面基片13是其外侧表面13-1是平面而观察者一侧的表面13-2是曲面的透镜。

此外，在表面13-2，该图像传输光通量L1首先通过的区域是平面，不具有用于图像传输光通量L1的光学能力。

而且，在该平面基片11内侧，图像传输光通量L1首先入射在其上的区域，形成有导向反射镜11a，其将该图像传输光通量L1的角度改变成使它在该平面基片11中能够被内表面反射的角度。

而且，在该平面基片11中，在面向该观察眼睛的瞳孔的区域设置有半反射镜11b(对应于权利要求中的合成器)，其沿着该瞳孔的方向反射已经被内表面反射的该图像传输光通量。

不用该半反射镜11b，也可以用具有沿着预定的方向偏振匹配预定衍射条件的光的性质的HOE(其表示全息光学元件)。而且该合成器可以具有光学功能。

在这里，在平面基片12和平面基片11之间，替代薄膜12a设置成与该两者紧密接触。而且，在平面基片13和平面基片11之间，替代薄膜13a设置成与该两者紧密接触(该替代薄膜12a、13a对应于权利要求中的光学功能单元)。

替代薄膜12a、13a，每个具有反射以大约60°入射角入射在其上的可见光，并且透射以大约0°的入射角入射在其上的可见光的性质。

以下，将根据该图像传输光通量L1的情况描述该图像显示光学系统1的相应表面的详细设置情况。

如图2所示，由于从该图像输入单元2的液晶显示元件21的显示屏发射的图像传输光通量L1(仅示出观察中心角的图像传输光通量)经由物镜22以大约0°的入射角进入该平面基片13，该图像传输光通量L1通过替代薄膜13a入射在平面基片11上。

进入平面基片11的图像传输光通量L1以预定的入射角入射在导向反射镜11a并被其反射。被反射的图像传输光通量L1以大约60°入射角θ入射在该替代薄膜13a上，因此在替代薄膜13a上被反射以朝着替代薄膜12a引导。该被图像传输光通量L1还以入射角θ入射在替代薄膜12a上，因此在该替代薄膜12a上也被反射。

因此，图像传输光通量L1沿着观察者左侧的方向朝着更加远离该图像输入单元2的地方传播，同时在替代薄膜12a、13a上交替地反复反射。

其后，该图像传输光通量L1入射在半反射镜11b上以沿着观察眼睛的瞳孔的方向反射。

被反射的图像传输光通量L1以大约0°的入射角入射在替代薄膜13a上并且因此通过该替代薄膜13a以经由平面基片13入射到观察眼睛的瞳孔上。

来自外部视场(远点)的外部光通量L2经由平面基片12以大约0°的入射角入射在替代薄膜12a上，并且因此通过该替代薄膜12a以经由平面基片11以大约0°的入射角入射在替代薄膜13a上。该外部光通量L2通过该替代薄膜13a以经由平面基片13入射在观察眼睛的瞳孔上。

在这里，平面基片12的外侧表面12-1的形状和平面基片13的观察者一侧的表面13-2的形状设置成以便进行观察眼睛的屈光度校正。

此外，对于外部视场的观察眼睛的屈光度校正通过设置在外部光通量L2的光路中的表面12-1的形状和表面13-2的形状的组合实现。对于图像的观察眼睛的屈光度校正通过设置在图像传输光通量L1的光路中的表面13-2的形状实现。为了实现对于图像的观察眼睛的屈光度校正，同时调节沿着光轴方向物镜22的位置和沿着光轴方向液晶显示元件21的位置。

在上面描述的眼镜显示器中，设置在从液晶显示元件21到光瞳的光路中的元件对应于权利要求中的合成器光学系统。

下面，将详细描述替代薄膜12a、13a。

(1)关于平面基片11中的内部全反射

一般而言，当入射角超过由下面表达式(1)表示的临界角θ_C时，在设置于介质中的平面基片11中发生内部全反射，

θ_C＝arc sin[n_m/n_g]……(1)其中

n_m是介质的折射率，而n_g是平面基片11的折射率。这个表达式(1)表明，为了适用于θ_C的存在，必需使n_m＜n_g。

因此，直接通过在平面基片11的表面上的平面基片12、13将使介质的折射率太高，其不允许θ_C的存在，使得内部反射功能被破坏。

另一方面，如果间隙设置在平面基片11的表面上，介质(空气)的低折射率(n_m＝1.0)使它能够实现内部反射功能，因为当平面基片11的材料为一般的光学玻璃BK7(n_g＝1.56)时，表达式(1)给出大约40°的临界角θ_C。

此外，当利用空气间隙时，平面基片11的反射比的入射角特性示于图3。

(2)关于绝缘性光学多层薄膜

在绝缘性光学多层薄膜的理论中发现下述关系。

下面将讨论由绝缘性光学多层薄膜制造的对称薄膜的薄膜结构(在下面描述)，该绝缘性光学多层薄膜夹在由光学玻璃制成的两个平面基片之间。在这里，对称薄膜是指这样的薄膜结构，在该结构中各种层是中心对称地重叠在一起。作为一个单元的层组放在括号内，并且其结构示于该括号内(该层组的应用于下面描述)。

平面基片/(0.125L0.25H0.125L)^k/平面基片，或

平面基片/(0.125H0.25L0.125H)^k/平面基片

在每个层组中，H表示高折射率层，L表示低折射率层，每个层组的右上标k表示每个层组中的叠层数目，每个层组前书写的数字表示在每层上用于入射在每层上的光的中心波长的光学层的厚度(其应用于下面描述)。

业已知道，对称的薄膜能够处理为具有虚拟折射率的等效的单一薄膜(等效薄膜)，并且对称薄膜和这种薄膜的等效折射率(等效折射率)的理论详细描述在HA.Macleod等人撰写的″Thin-Film opticalFilters 3^rd Edition″一文中，因此其详细描述在这里被省去。

在这种薄膜结构中，如果用于竖直入射光的等效薄膜的等效折射率设置成与平面基片11的折射率相同，该等效薄膜不引起竖直入射光的界面反射，因此对于这种光的具有100％透射比，但是引起以大入射角的入射光的界面反射，因此增大对这种光的反射。其理由是因为电介质的视在折射率N通常根据电介质中的光的传播角度θ发生变化。

N＝ncosθ(s-偏振光)

N＝n/cosθ(p-偏振光)

注意，n是该电介质的折射率。此外，根据入射角的增加，对于s-偏振光来说，反射比的增加量特别明显。

(3)关于替代薄膜12a，13a的结构

不损害在(1)中提到的平面基片11的内部反射和平面基片11的透视特性(等于外部可见性)对于替代薄膜12a，13a来说是必需的。也就是说，它们需要具有反射图像传输光通量L1的性质和透射外部光通量L2的性质。

因此，替代薄膜12a，13a构造成以便具有以高反射比(优选全反射)反射以临界角或以大于临界角的角度入射在其上的光的性质，该临界角由该平面基片11和空气之间的折射率之差来确定。

在这个实施例中，替代薄膜12a，13a的的性质设置成“反射以大约60°入射角入射在其上的可见光并透射以大约0°入射角入射在其上的可见光的性质”。这种性质可以通过在(2)中描述的绝缘性光学多层薄膜获得。

因此，在这个实施例中，绝缘性光学多层薄膜被用作替代薄膜12a、13a。

构造替代薄膜12a、13a的方法如下。

替代薄膜12a、13a的结构(单元层组的结构、重叠的数目、每层的厚度、每层的折射率、每层的材料等)根据光的呈现高反射性的入射角(这里为60°)进行优化。同时优化平面基片11的折射率。替代薄膜12a、13a的基本结构是在(2)中描述的对称薄膜。

然而，即便当在(2)中描述的理论被简化应用，得到的解和存在于薄膜材料的折射率也不相互匹配，因此，在构造中采用下面措施的全部或部分。

第一个措施是在平面基片11一侧上插入若干层(匹配层)，其目的是实现与平面基片11的匹配

第二个措施是吸收材料中的折射率分布并且在优化时对该材料的反射/透射的光谱特性/角度特性进行微调。

第三个措施是根据需要破坏对称(允许非对称)。

第四个措施是通过计算机利用层厚的优化结构和薄膜结构的自动综合。

第五个措施是构造薄膜以便具有仅对于s-偏振光(因为绝缘性光学多层薄膜具有根据入射角的增加而增加其反射比的量的性质，这种性质对于s-偏振光特别明显)的所希望的特性。

第六个措施是构造该薄膜以便具有仅对于预定波长的所希望的特性。

此外，当图2所示的液晶显示元件21的光源是s-偏振光源时第五个措施是有效的。如果其偏振方向通过相位板等是旋转的，第五个措施在p-偏振光源情况下也可以使其有效。限制偏振方向是有利的，因为构造的自由度因此而增强。

当图2所示的液晶显示元件21的光源发射具有一定波长的光时，第六个措施是有效的。限制波长是有利的，因为构造的自由度因此而增强。

下面将描述眼镜显示器的效果。

在该眼镜显示器中，替代薄膜12a、13a形成在平面基片11的外侧和观察者一侧上。

替代薄膜12a、13a的性质设置成以便它们反射以大约60°的入射角入射在其上的可见光并透射以大约0°的入射角入射在其上的可见光。

被这些替代薄膜12a、13a夹在中间的平面基片11能引起图像传输光通量L1的内部反射并且能够透射来自外部视场(远点)的外部光通量L2。

因此，即便粘贴与平面基片11具有同样折射率的平面基片12、13，也不损害平面基片11的内部反射功能和透视特性。

结果，利用仅粘贴该基片12、13的简单方法，该眼镜显示器能够具有屈光度校正。

此外，利用用于平面基片12、13的光吸收材料能够使眼镜显示器具有太阳镜的功能。在只有太阳镜的功能是必需的并且不需要屈光度校正的情况下，该平面基片12、13可以是光吸收的平面行平板。

(其他)

在这个实施例中，图像传输光通量L1是可见光，并且平面基片11和替代薄膜12a、13a的性质设置成内表面反射可见光的性质，但是应当注意，当液晶显示元件21的光源具有发射光谱时，该性质可以设置成以便内表面反射至少其具有峰值波长的光。

而且，在这个实施例的眼镜显示器中，屈光度校正通过两个平面基片(平面基片11、12)和两个替代薄膜(替代薄膜12a、13a)实现，但是屈光度校正可以通过一个平面基片和一个替代薄膜实现。

还有，在这个实施例中，绝缘性光学多层薄膜用作该替代薄膜12a、13a，但是可以用HOE。利用绝缘性光学多层薄膜的替代薄膜12a、13a，的结构的详细情况将在后面描述的实例中描述，在这里，下面将描述制造HOE的方法。

图4示出用于制造HOE的光学系统。这种光学系统制造以高反射比反射以入射角θ入射在其上的图像传输光通量L1的HOE。

从激光光源31发射的具有波长λ的激光光束被分束管32分成两个光束。该两个分离的激光光束被两个光束扩展器33分别扩展，并且其后分别经由两个辅助棱镜34入射在全息光敏材料35上。因此光敏材料35被曝光。在这里，激光光束在全息材料上的入射角设置为θ。该光敏材料35被研制出来以完成HOE。

该完成的HOE具有这样的性质：引起以预定角度θ入射在其上的具有预定波长λ的光通量的衍射/反射，并且完全透射以大约0°的入射角入射在其上的光。

此外，替代薄膜12a、13a表现出反射性质所对应的光的入射角和波长是不同的，因此当激光光束的角度θ和波长根据需要变化时，该光敏材料35被多次曝光。

而且，利用树脂基材料(树脂片)作为光敏材料35能够低成本制造具有大面积的的HOE。而且，如果然该HOE是树脂片，通过粘贴该HOE能够使该HOE与该眼镜显示器的平面基片11紧密接触，依据减少成本和批量生产该HOE具有很高的实用价值。

或者，由金属薄膜、半导体薄膜等制造的多层光学薄膜可以用作这个实施例的替代薄膜12a、13a的每一种。但是，绝缘性光学多层薄膜是更加优选的，因为它比这种多层光学薄膜吸收较少的光。

优选地，上面描述的光学功能单元(绝缘性光学多层薄膜、HOE以及其他多层光学薄膜)根据眼镜显示的规格和成本被选择性地用作替代薄膜12a、13a。

第一实例

下面将描述由绝缘性光学多层薄膜制成的替代薄膜12a、13a的第一实例。

当液晶显示元件21的光源是偏振光源时，这个实例是一个有效的实例。这个实例的基本结构如下，例如

平面基片/(0.125L0.25H0.125L)^k/平面基片

该平面基片的折射率是1.74，高折射率层H的设置率是2.20，低折射率层L的折射率是1.48。

由SCHOTT制造的N-LAF35用作平面基片，TiO₂、Ta₂O₅和Nb₂O₅其中之一用于在调节的薄膜沉积条件下形成高折射率层H，而SiO₂用于形成低折射率层L。

此外，具有这种基本结构的绝缘性光学多层薄膜通常叫做“短波长透射滤光器”。对于其波长比预定波长短的光它具有表现出高透射比的特性，而对于其波长比预定波长长的光它表现出高反射比。

一般的绝缘性光学多层薄膜的另一种特性是，当光倾斜地入射在其上时其光谱特性根据入射角移动到短波长一侧。

通过组合这两种特性。竖直入射光的透射波段预先变成与整个可见光谱(400～700纳米)相匹配，并且基本结构被优化以便当入射角达到平面基片11的临界角θ_C周围时，长波长侧反射波段匹配整个可见光谱(400～700纳米)。

平面基片/(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)⁴(0.15L0.28H0.125L)/平面基片

该平面基片的折射率是1.56，高折射率层H的折射率是2.30，低折射率层L的折射率是1.48，中心波长λ是850纳米。

由SCHOTT制造的N-BAK4用作平面基片，并且高折射率层H由TiO₂、Ta₂O₅和Nb₂O₅其中之一在调节的薄膜沉积条件下形成。

在这个实例中，图5、图6和图7分别示出对于竖直入射光的反射比的角度特性、反射比的波长特性，以及对于60°入射光的反射比的波长特性。在下面描述的附图中，Rs是s-偏振光的特性，Rp是p-偏振光的特性，而Ra是s-偏振光和p-偏振光的平均特性。

如图5所示，当限制s-偏振光的特性时，这个实例的反射比的角度特性很好地匹配玻璃基片(见图3)的反射比的角度特性。而且，如图6所示，这个实例对于竖直入射的可见光具有高透射比。还有，如图7所示，在基本上整个可见光光谱中对于60°的入射光这个实例具有基本上100％的反射比。

在这个实例中，例如，匹配层用来减少透射波段(反射比低的波长范围)的波动。

第二实例

下面将描述由绝缘性光学多层薄膜制成的替代薄膜12a、13a的第二实例。

当液晶显示元件21的光源是偏振光源时，这个实例是一个有效的实例。这个实例的基本结构如下，例如

平面基片/(0.125H0.25L0.125H)^k/平面基片

此外，这种结构通常叫做“长波段透射滤光器”。它具有对其波长长于预定波长的光的高透射比的特性，并且对于其波长短于该预定波长的光表现为高反射比的特性。

作为优化的结果，这个实例具有下述结构。

平面基片(0.3H0.27L0.14H)(0.1547H0.2684L0.1547H)³(0.14H0.27L0.3H)/平面基片

该平面基片的折射率是1.56，高折射率层H的折射率是2.00，低折射率层L的折射率是1.48，而中心频率λ是750纳米。

ZrO₂，HfO₂，Sc₂O₃，Pr₂O₆，and Y₂O₃其中之一用于在调节的薄膜沉积条件下形成高折射率层H。和前面描述的例子中相同的材料用于平面基片和低折射率层L。

在这个实例中，图8、图9和图10示出对于竖直入射光的反射比的角度特性和反射比的波长特性，以及对于60°入射光的反射比的波长特性。

如图8、图9和图10所示，对于s-偏振光这个实例提供良好的特性，其与第一实例的特性基本上是同样的。

在这个实例中，长波段透射滤光器用作基本结构。但是，根据第一实施例(2)中所述的理论，短波段透射滤光器是合适的，但是根据存在于薄膜材料中的折射率的研究，这种利用长波段透射滤光器的该基本结构经常提供设计方案。

第三实例

下面描述由绝缘性光学多层薄膜制造的替代薄膜12a、13a的第三实例。

当液晶显示元件21的光源不是偏振光源时这个实例是有效实例。作为优化的结果，这个实例具有如下结构

平面基片/(0.25H0.125L)(0.125L0.25H0.125L)⁴(0.125L0.25H)/平面基片

该平面基片的折射率是1.75，高折射率层H的折射率是2.30，低折射率层L的折射率是1.48，而中心频率λ是1150纳米。

SCHOTT制造的N-LAF4用作平面基片。高折射率层H用TiO₂，Ta₂O₅，和Nb₂O₅其中之一在调节的薄膜沉积条件下形成，而SiO₂被沉积以形成低折射率层L。

图11、图12和图13示出对于竖直入射光的反射比的角度特性，反射比的波长特性，以及对于60°入射光的反射比的波长特性。

如图11、图12和图13所示，根据这个实施例能够获得对于p-偏振光和s-偏振光两者的良好特性。

这个实例的结构模制成下述的对称结构。

平面基片/(匹配层组I)^k1·(对称层组)^k2·(匹配层组II)^k3/平面基片

每个层组用反复重叠的低折射率层L·高折射率层H(LHL或HLH)制造，并且设置成对于60°入射光具有增加的反射比。该中心层组有助于反射竖直入射光，因此，为了减少这种反射，在匹配层组I、II中每层的层厚通过优化进行调节。

在构造中，这个模型的各个层组的叠层数目k1、k2、k3增加/减少，并且在匹配层组I、II中每层的层厚根据光的入射角和该平面基片的折射率调节。

在与一个平面基片的关系和与另一个平面基片的关系不同的情况下(例如在两个平面基片在折射率不同或粘贴层设置在这个实例和平面基片之一之间的情况下)，匹配层组I、II的叠层数目和每层的层厚可以单独调节。

而且，当前，通过计算机优化层厚的结构和薄膜结构的自动综合的方法也被广泛利用。当利用这种方法时，获得的涉及方案有时稍微偏离上述基本结构。但是。这可以被认为是具有其被调节部件的基本结构(修改的基本结构)。

第四实例

下面描述由绝缘性光学多层薄膜制造的替代薄膜12a、13a的第四实例。

当液晶显示元件21的光源是偏振光源时这个实例是有效实例。而且这个实例是用计算机自动综合该薄膜结构的方法应用于其上的实例。这个实例的基本结构示于图14。

如图14所示，总的层数是19，平面基片的折射率是1.56，高折射率层H的折射率是2.20，低折射率层L的折射率是1.46，中心波长λ是510纳米。

SCHOTT制造的N-BAK4用于作平面基片，并且利用和第一实例同样的高折射率层H。SiO₂用来在调节的薄膜沉积条件下形成低折射率层L。

图15、图16和图17示出在这个实例中对于竖直入射光的反射比的角度特性，反射比的波长特性，以及对于60°入射光的反射比的波长特性。

如图15、图16和图17所示，根据这个实例，能够获得良好的特性。特别是，如图16所示，大大地提高对于竖直入射光的透射比。

第五实例

下面描述由绝缘性光学多层薄膜制造的替代薄膜12a、13a的第五实例。

当液晶显示元件21的光源不是偏振光源时这个实例是有效的实例。而且这个实例是用计算机自动综合该薄膜结构的方法应用于其上的实例。这个实例的基本结构示于图18。

如图18所示，总的层数是40，平面基片的折射率是1.56，高折射率层H的折射率是2.20，低折射率层L的折射率是1.3845，中心波长λ是510纳米。

SCHOTT制造的N-BAK4用于作平面基片，并且利用和第一实例同样的高折射率层H，并且MgF₂和AlF₂其中之一用来形成低折射率层L。

图19、图20和图21分别示出在这个实例中对于竖直入射光的反射比的角度特性，反射比的波长特性，以及对于60°入射光的反射比的波长特性。

如图19、图20和图21所示，根据这个实例，能够获得良好的特性。特别是，如图20和图21所示，提高了对于竖直入射光的透射比和60°入射光的反射比。

【第二实施例】

下面将参考图22和图23描述本发明的第二实施例。这个实施例是眼镜显示器的实施例。在这里，将主要描述与第一实施例的不同之处。

图22是眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取得示意剖视图。如图22所示，该眼镜显示器的光学系统部分包括图像输入单元2和平面基片11(该图像输入单元2具有液晶显示元件21和安装在其中的物镜22，并且该平面基片11具有导向反射镜11和安装在其中的半反射镜11b)。

在该眼镜显示器中，加强的反射薄膜22a分别设置在该平面基片11的观察者一侧的表面上和外侧表面上，以与相应的表面紧密接触。

每个增强的反射薄膜22a至少具有和替代薄膜12a、13a同样的功能(和空气隙同样的功能)。具体说，该增强的反射薄膜22a对将在平面基片11中内表面反射的图形传输光通量L1表现出反射性质(在这里，以大约60°入射角入射的可见光)，并且对将通过该平面基片11的图像传输光通量L1和外部光通量L2(在这里，以大约0°入射角入射的可见光)表现出透射性质。

但是，增强的反射薄膜22a能够反射的可见光的入射角范围比替代薄膜12a、13a能够反射可见光的入射角范围宽，具体说，入射角的下限设置成小于该平面基片11的临界角θ_C(≈40°)，例如设置成35°等。入射角θ_g的上限，类似于每个替代薄膜12a、13a和作为单个元件在空气中的平面基片11，为大约90°。

其上具有增强反射薄膜22a的平面基片11能够内表面反射的图像传输光通量L1的入射角范围θ_g大于该平面基片11作为单一元件存在于空气中时的入射角范围。该增大的入射角范围θ_g得到能够被观察眼睛观察的增大的图像观察角。

如果增强的反射薄膜22a能够反射的可见光的入射角范围的下限设置得太低，将出现下述问题。也就是，有可能部分外部光通量L2不能通过该增强的反射薄膜22a，导致很差的外部可见性，或者被半反射镜11b偏振的图像传输光通量L1不能从平面基片11发射到外部(出射光瞳)，导致衰减。因此，考虑到图像传输光通量L1的观察角和它内反射时的入射角，能够被该增强的反射薄膜22a反射的可见光的入射角范围的下限必需设置在大约0°～θ_C之间。

而且，具有这种特性的增强反射薄膜22a由绝缘性光学多层薄膜、HOE(全息光学元件)等制造。其中在下面描述的实例中将详细描述利用绝缘性光学多层薄膜的增强反射薄膜22a的结构。制造HOE的方法和在第一实施例中描述的制造方法基本相同(见图4)。

但是，在这种制造方法中，如图23所示，必需只在入射在光敏材料上的激光光束之一中插入辅助棱镜32(这是因为在这个实施例中与增强的反射薄膜22a接触的两种介质之一是空气)。

而且，在图23的光学系统中角度θ(入射在该全息光敏材料35上的激光光束的入射角)的值设置成落在该增强的反射薄膜22a对其表现出反射性质的光的入射角范围内。

在这里，该增强的反射薄膜22a表现出反射性质所对应的光的入射角和波长是不同的，因此，在该激光光束的角度θ和波长变化时该光敏材料35被多次曝光。

而且，利用树脂基材料(树脂片)作为全息光敏材料35能够低成本制造具有大面积的HOE。还有，如果HOE是树脂片，只通过粘贴HOE能够使该HOE与该眼镜显示器的平面基片11紧密接触，根据降低成本和批量生产其具有很高的实用价值。

而且，作为这个实施例的增强的反射薄膜22a，可以用由金属薄膜、半导体薄膜等制造多层光学薄膜。但是与这样的多层光学薄膜相比，绝缘性光学多层薄膜吸收较少的光，因此是更优选的。

希望的是，上面描述的光学功能单元(绝缘性光学多层薄膜、HOE、以及其他多层光学薄膜)根据眼镜显示器的规格、成本等选择性地用作增强的反射薄膜22a。

第六实例

下面将描述第六个实例。该这个实例是绝缘性光学多层薄膜的实例，该绝缘性光学多层薄膜适于作为第二实施例的眼镜显示器的增强的反射薄膜22a。

在这个实例中，假定眼镜显示器的液晶显示元件21的光源具有发射光谱(分别具有红色、绿色和蓝色峰值)，并且该液晶显示元件的光源是偏振光源。而且，在这个实例中，应用用计算机自动综合薄膜结构的方法。

这个实例的绝缘性光学多层薄膜的薄膜结构示于图24。

如图24所示，层的总数是51，平面基片11的折射率是1.60，高折射率层H的折射率是2.3，而的折射率层L的折射率是1.46。

SCHOTT制造的N-SK14用作平面基片，TiO₂、Ta₂O₅或Nb₂O₅用来在调节的薄膜沉积条件下形成高折射率层H，SiO₂用来在调节的薄膜沉积条件下形成低折射率层L。

图25示出这个实例的绝缘性光学多层薄膜对以较小入射角(入射角0°～20°)入射的光的反射比的波长特性。在图25中，Ra(0°)、Ra(5°)、Ra(10°)、Ra(15°)和Ra(20°)是以0°、5°、10°、15°和20°(每个是对入射光的s-偏振部分的反射比和入射光的p-偏振部分的反射比的平均值)入射角的入射光的反射比。

从图25清楚地看到，如果入射光的入射角在0°-20°在范围内，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对整个可见光谱中的入射光表现出80％或以上的透射性质。

图26示出示出这个实例的绝缘性光学多层薄膜对具有大入射角(入射角35°，40°)的光的反射比的波长特性。在图26中，Rs(35°)和Rs(40°)是以35°和40°的入射角入射的光的反射比(每个是对入射光的s-偏振部分的反射比)。

正如从图26清楚地看到的，如果入射光的入射角是40°，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对整个可见光谱中的s-偏振光表现出基本上100％的反射性质。而且，对于以35°入射角的s-偏振光，它对可见光谱中红色、绿色和蓝色(460、520、633纳米)的相应部分表现出80％或以上的反射性质。

图27示出示出这个实例的绝缘性光学多层薄膜对具有相应波长的光的反射比的角度特性。在图27中，Rs(633纳米)和Rs(520纳米)和Rs(460纳米)分别是对具有633纳米、520纳米和460纳米的光(红色、绿色和蓝色)的光的反射比(每个是对该入射光的s-偏振部分的反射比)。

如图27所示，如果它们的入射角为35°或以上，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对可见光谱中的红色、绿色和蓝色的相应部分的光表现出80％或以上的反射性质。

如上所述，35°是这个实例的绝缘性光学多层薄膜对其表现出反射性质的可见光(在这里，是红色、绿色和蓝色s-偏振光，)的入射角范围的下限。这个角度小于在这个实例中假定的该平面基底11的临界角θ_C，θ_C＝38.7°。

因此，在利用这个实例的绝缘性光学多层薄膜作为增强的反射薄膜22a的眼镜显示器中，在该平面基底11中内表面反射的图像传输光通量L1入射角范围θ_g的下限小于该临界角θ_C，θ_C＝38.7°，比35°大3.7°。

结果，该眼镜显示器能够透射以入射角范围θ_g内的入射角入射的图像传输光通量L1，θ_g＝35°-36°，也就是说，图像传输光通量L1具有30°观察角。

而且，如图25所示，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对于以小入射角(0°～20°)入射的可见光具有高透射性，以便能够确保眼镜显示器的外部可见性，并且从平面基片11入射在出射光瞳上的图像传输光通量L1没有衰减。

【第三实施例】

下面将参考图28描述本发明的第三实施例。这个实施例是眼镜显示器的实施例。在这里，主要描述与第一实施例的不同之处。

图28是眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图。如图28所示，眼镜显示器构造成使得在第一实施例的眼镜显示器(见图2)中，设置增强的反射薄膜22a，而不是替代薄膜12a、13a。

每个增强的反射薄膜22a具有和第二实施例同样的功能。也就是说，该增强的反射薄膜22a对其表现反射比的可见光的入射角范围的下限小于平面基片11的临界角θ_C。

因此，该眼镜显示器类似于第一实施例能够提供屈光度校正的作用，并且除此之外，类似于第二实施例，能够提供加大观察角的作用。

在增强的反射薄膜用HOE制造的情况下，其制造方法与第一实施例中描述的制造方法(见图4)相同。

但是在图4的光学系统中角度θ(入射在全息光敏材料上的激光光束的入射角)的值设置成在该增强的反射薄膜22a对其表现出反射性质的光的入射角的范围内。

在这里，该增强的反射薄膜22a表现出反射性质所对应的光的入射角和波长是不同的，因此，在该激光光束角度θ和波长根据需要变化时，该光敏材料进行多次曝光。

第七实例

下面将描述第七实例。这个实例是绝缘性光学多层薄膜的实例，该绝缘性光学多层薄膜适于作为第三实施例的眼镜显示器的增强的反射薄膜22a。

在这个实例中，假定该眼镜显示器的液晶显示元件21的光源是偏振光源。而且，在这个实例中，应用用计算机自动综合该薄膜结构的方法。

这个实例的绝缘性光学多层薄膜的薄膜结构示于图29。

如图29所示，层的总数是44，平面基片11的折射率是1.56，高折射率层H的折射率是2.3，而的折射率层L的折射率是1.46。

该平面基片和低折射率层与第四实例是一样的，并且TiO₂、Ta₂O₅或Nb₂O₅用来在调节的薄膜沉积条件下形成高折射率层H。

图30示出这个实例的绝缘性光学多层薄膜对以小入射角(入射角0°～20°)入射的光的反射比的波长特性。在图30中，Ra(0°)、Ra(10°)和Ra(20°)是以0°、10°和20°(每个是对该入射光的s-偏振部分的反射比和该入射光的p-偏振部分的反射比的平均值)入射角入射的光的反射比。

正如从图30清楚地看到的，如果入射光的入射角在0°～20°的范围内，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对整个可见光谱中的入射光表现出70％或以上的透射性质。

图31示出这个实例的绝缘性光学多层薄膜对具有大入射角(入射角35°～50°)的光的反射比的波长特性。在图31中，Rs(35°)、Rs(40°)和Rs(50°)是以35°、40°和50°的入射角入射的入射光的反射比(每个是对该入射光的s-偏振部分的反射比)。

如图31所示，如果入射角是35°～50°这个实例的绝缘性光学多层薄膜对基本上整个可见光谱的光表现出65％或以上的反射性质。

图32示出这个实例的绝缘性光学多层薄膜对具有相应波长的光的反射比的角度特性。在图32中Rs(633纳米)和Rs(520纳米)和Rs(460纳米)分别是对具有633纳米、520纳米和460纳米(红色、绿色和蓝色)的光的反射比(每个是对入射光的s-偏振部分的反射比)。

如图32所示，如果其入射角为35°或更大，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对可见光谱中的红色、绿色和蓝色的各部分的光表现出65％或以上的反射性质。

也就是，35°是这个实例的绝缘性光学多层薄膜对其表现出反射性质的可见光的入射角范围的下限(这里，具有波长为663纳米、520纳米和460纳米的s-偏振光)。这个角度小于在这个实例中假定的平面基片11(折射率1.56)的临界角θ_C，θ_C＝39.9°。

因此，在利用这个实例的绝缘性光学多层薄膜作为增强的反射薄膜22a的眼镜显示器中，在该平面基片11中内表面反射的图像传输光通量L1的入射角度范围θ_g的下限小于39.9°的临界角θ_C，为35°，比该临界角θ_C小4.9°。

而且，如图30所示，这个实例的绝缘性光学多层薄膜对于以小入射角(0°～20°)入射的可见光具有高透射性，以便能够确保眼镜显示器的外部可见性，并且从平面基片11入射在出射光瞳上的图像传输光通量L1没有衰减。

【第四实施例】

下面将参考图33描述本发明的第四实施例。这个实施例是眼镜显示器的实施例。在这个实施例中，前述增强的反射薄膜应用于具有大出射光瞳的眼镜显示。

图33是该眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图。如图33所示，该眼镜显示器具有多个相互平行的半反射镜11b，该多个半反射镜设置在图像传输光通量L1在其中被内表面反射的平面基片11中。该多个半反射镜11b的每个反射以预定角度范围内的入射角入射的该图像传输光通量中的光，该光通量在该平面基片11中被被表面反射，并且每个半反射镜11b形成在该平面基片11外的出射光瞳。因此，该出射光瞳的尺寸通过提供该多个半反射镜11b被增大。根据增强观察眼睛的光瞳的位置的自由度，这种大出射光瞳是有利的。

在这种眼镜显示器中，增强的反射薄膜22a分别形成在该平面基片11的观察者一侧的表面上和外侧表面上，以便与其紧密接触。如同在上述实施例中一样，该增强的反射薄膜22a增大入射角的范围，使得图像传输光通量能够在该平面基片11中内表面反射。因此，这种眼镜显示器的观察角度被增大。

【第五实施例】

下面将参考图34描述本发明的第五实施例。在这个实施例中，前述增强的反射薄膜应用于具有大出射光瞳的眼镜显示。

图34是该眼镜显示器的光学系统部分沿着观察者的水平面截取的示意剖视图。如图34所示，在该眼镜显示器中，用于形成大出射光瞳的多个半反射镜11b设置在平面基片11的外侧。该多个半反射镜设置在平面基片12中，该平面基片12设置在外侧或观察者一侧上(图4中外侧)。而且，该多个半反射镜由两种组成，即相互平行的的多个半反射镜11b_L和相互平行并且在姿态上不同于该多个半反射镜11b_L的多个半反射镜11b_R。

在平面基片11内侧，设置引导反射镜11a和返回镜11_C，该导反射镜11a用于将入射在该平面基片11上的图像传输光通量L1偏振到允许该图像传输光通量L1被内表面反射的角度；该返回镜11_C返回已经在平面基片11中被内表面反射的图像传输光通量L1。

在多个半反射镜中，半反射镜11b_L的姿态设置成使得在向前路径上图像传输光通量L1被朝着观察者一侧偏振，而其他的半反射镜11b_R的姿态设置成使得在返回路径上图像传输光通量L1朝着观察者一侧偏振。因此，半反射镜11b_L、11b_R的整个结构是屋顶形状的半反射镜，设置成相互闭合。

在这种眼镜显示器中，增强的反射薄膜设置在平面基片12和平面基片11之间，并且在该平面基片11的观察者一侧的表面上，以与其紧密接触。

其中，在该平面基片11的观察者一侧上的增强的反射的薄膜22a和上面描述的增强的反射的薄膜是一样的，并且对在该平面基片11中被内表面反射的图像传输光通量L1表现出反射性质。

另一方面，在该平面基片11的外侧上的增强的反射薄膜22a′与上面描述的增强反射的薄膜稍有不同，并且对在该平面基片11中被内表面反射的图像传输光通量L1表现出半透射性质。

具体说，增强反射的薄膜22a′对通过该平面基片的11的图像传输光通量L1和外部光通量L2(这里，以大约0°入射角入射的可见光)表现出透射性质(全部透射)，并且对在该平面基片11中被内表面反射的图像传输光通量L1(这里，以大约60°入射角入射的可见光)表现出半透射性质。对其表现出半透射性质光的入射角范围的下限设置为小于该平面基片11的临界角θ_C的值。

由于增强的反射薄膜22a′的半透射性质，在平面基片11中往复的一定比例的图像传输光通量L1向着平面基片12一侧传播。该传播的图像传输光通量L1被平面基片12中的多个半反射镜11b_L、11b_R向着观察者一侧偏振。然后被多个半反射镜11b_L、11b_R偏振的图像传输光通量L1通过该增强的反射薄膜22a′、平面基片11和增强的反射薄膜22a，以形成大出射光瞳。

而且，类似于上述实施例，上述增强的反射薄膜22a，22a′增大入射角的范围，使该图像传输光通量L1类似于上述实施例的图像传输光通量L1，能够被内表面反射。因此，该眼镜显示器的观察角也被增大。

在该眼镜显示器中，设置返回反射镜11_C和两种半反射镜，但是应当注意，返回反射镜11_C和半反射镜11b_R可以省去。但是，提供这些反射镜使出射光瞳中的光强均匀，因此是更加优选的。

【第六实施例】

下面将参考图35描述本发明的第六实施例。在这个实施例中，前述增强的反射薄膜应用于仍然具有大出射光瞳的眼镜显示。

图35是该实施例的眼镜显示器的光学系统部分的分解图。如图35所示，与第五实施例的眼镜显示器同样的原理应用于该眼镜显示器，并且当从观察者观察时，出射光瞳在竖直和水平两个方向被扩展。而且这种眼镜显示器也具有屈光度校正功能。

在图35中，从自图像输入单元2发射的图像传输光通量L1首先入射在平面基片11′上。该平面基片11′与平面基片12′引导该图像传输光通量L1，并且当从观察者看时沿竖直方向扩展该图像传输光通量L1的直径。图像传输光通量L1入射在平面基片11上。该平面基片11和平面基片12一起引导图像传输光通量L1以当从观察者看时沿水平方向扩展该图像传输光通量L1的直径。

而且，平面基片13设置在该平面基片11的观察者的一侧，并且该平面基片13的观察眼睛一侧表面的光学功能和该平面基片12外侧表面的光学功能实现用于外部视场的观察眼睛的屈光度校正。

与第一实施例的平面基片11、12同样的原理用于包括平面基片11′、12′的第一光学系统和包括平面基片11、12的第二光学系统。而且，第一光学系统的光学表面的设置方向从第二光学系统的光学表面的设置方向旋转90°

具体说，在平面基片11′中，附图标记11a′表示导向反射镜，其将入射在该平面基片11′上的图像传输光通量L1偏振到使该图像传输光通量L1被内表面反射的角度，附图标记11c′表示返回反射镜，其返回已经在平面基片11′中被内表面反射的图像传输光通量L1。在平面基片12′中，附图标记12a′表示设置成相互闭合的多个屋顶形状的半反射镜(其细节参考图34)。

在平面基片11中，附图标记11a表示导向反射镜，其将入射在该平面基片11上的图像传输光通量L1偏振到使该图像传输光通量L1被内表面反射的角度，附图标记11c表示返回反射镜，其返回已经在平面基片11中被内表面反射的图像传输光通量L1。在平面基片12中，附图标记12a表示设置成相互闭合的多个屋顶形状的半反射镜(其细节参考图34)。

在上述眼镜显示器中，该增强的反射薄膜设置在平面基片11′和平面基片12′之间，平面基片11′和平面基片13′之间，平面基片11和平面基片12之间，平面基片11和平面基片13之间。

但是，设置在平面基片11′和平面基片12′之间的该增强的反射薄膜需要具有使在平面基片11′中被内表面反射的一定比例的图像传输光通量L1传播通过该平面基片11′到平面基片12′特性。这种特性与第五实施例的增强的反射薄膜22a′的特性相同。

设置在平面基片11和平面基片12之间的增强的反射薄膜也需要具有使在平面基片11中被内表面反射的一定比例的图像传输光通量L1传播通过该平面基片11到平面基片12的特性。这种特性与第五实施例的增强的反射薄膜22a′的特性相同。

上述增强的反射薄膜增大入射角的范围，使图像传输光通量L1能够在平面基片11′被内表面反射，并且增大入射角的范围使图像传输光通量L1能够在平面基片11被内表面反射。而且，增大在平面基片11′的方向并增大在平面基片11的方向，使两者的方向差为90°。

因此，在这种眼镜显示器中，沿竖直方向的观察角和沿水平方向的观察角均被增大。

【第七实施例】

下面参考图36描述本发明的第七实施例。在这个实施例中，前述增强的反射薄膜应用于其中许多表面用于内反射的眼镜显示。

图36(a)是眼镜显示器的光学系统部分的示意透视图。图36(b)是该光学系统部分沿着水平面(图36(a)中是观察者的ZX平面)截取的示意剖视图。图36(c)是该光学系统部分沿着观察者前面的平面(图36(a)的YX平面)截取的示意剖视图。图36d是用于说明该眼镜显示器的观察角度的视图。

如图36(a)、(b)和(c)所示，在这种眼镜显示器中，通过调节导向反射镜11a和多个半反射镜11b的设置位置和姿态，平面基片11的总共4个表面被用于内反射。该四个表面是观察者一侧的表面、外侧表面和被该两个表面夹在其中的两个表面。此外，这四个表面都是平表面。

图36(d)示出当从观察者观察时沿着该眼镜显示器的图像的两个方向的观察角θb_-air、θa_-air。

这些之外，观察角θb_-airr是由使图像传输光通量L1能在两个表面上被内表面反射的角度θb_-g确定，该两个表面是平面基片11的观察者一侧的表面和外侧表面，如图36(b)所示。

观察角θa_-air由使图像传输光通量L1能在平面基片11的两个表面上被内表面反射的角度θa_-g确定，如图36(c)所示。

它们用下述表达式表示

θa_-air＝sin^-1[n_g sin θa_-g]

θb_-air＝sin^-1[n_g sin θb_-g]

也就是说，当图像传输光通量L1能够在平面基片11中内表面反射的角度范围θa_-g、θb_-g变大时，观察角θa_-air、θb_-air也变大。

在该眼镜显示器中，增强的反射薄膜设置在该平面基片11的四个表面上，用于内反射。在图36b、c中，附图标记22a表示增强的反射薄膜。该增强的反射薄膜22a的特性与上述实施例中的增强的反射薄膜22a的特性是同样的，并且该增强的反射薄膜22a对其表现出反射性质的可见光的入射角范围的下限低于该平面基片11的临界角θ_C。

因此，使图像传输光通量L1能够在平面基片11中内表面反射的角度范围θa_-g、θb_-g(图36b、c)被增大。结果，该眼镜显示器的观察角θa_-air、θb_-air(图36d)也被增大。

此外，示于图36(c)的两个增强的反射薄膜22a不面向观察眼睛，因此不需要透射外部光通量。因此，优选地，由银、铝等制造的金属薄膜用于这两个增强的反射薄膜的每一个，而不是前面所说的绝缘性光学多层薄膜或HOE。金属薄膜的使用能够使观察角θa_-air大于观察角θb_-air。

因此，如果液晶显示元件21的纵横比不是1∶1，该液晶显示元件21优选设置成是较长一侧的观察角对应于观察角θa_-air。

此外，该眼镜显示器的平面基片11是具有矩形截面的柱形的基片，但是，也可以使用具有不同形状截面的柱形基片，例如具有三角形截面的柱形基片，具有平行四边形截面的柱形基片，具有五边形截面的柱形基片。

【第八实施例】

下面参根据图37、图38、图39、图40、图41和图42描述本发明的第八实施例。这个实施例是眼镜显示器的实施例。这里主要描述与第一实施例的不同之处。

图37是该眼镜显示器的外观图。图37中的座标系是右手定则的XYZ笛卡儿座标系，其中，如果从头上戴眼镜的观察者看，X方向指向下，Y方向指向右。在下面的描述中，XYZ座标系表示的方向或由从观察者看由左右上下表示的方向将根据需要而使用。

如图37所示，眼镜显示器的图像显示光学系统1具有减少从外部视场向观察眼睛(观察者的右眼)引导的外部光通量的减少功能。

而且，为了平衡从外部视场向观察眼睛引导的外部光通量的光强和从外部视场向非观察眼睛(观察者的左眼)引导的外部光通量的光强，并且为了平衡眼镜显示器的左、右外观，非观察眼睛一侧的前面也具有类似于图像显示光学系统1的光减少功能，并且具有和图像显示光学系统1同样外观的平面基片5附着于非观察眼睛的前面。这不应用于不需要平衡外部光通量和不需要平衡外观的情况。

图38是眼镜显示器的光学系统的详图和沿着平行于YZ平面的平面截取的该眼镜显示器的光学系统部的分示意剖视图。

在图38中，附图标记20a表示包括LED光源、反射镜等的照明光学系统，该照明光学系统在第一实施例中没有示出。

如图38所示，图像显示光学系统1包括对至少可见光具有透射性质的平面基片11。在平面基片11的预定位置，类似于第一实施例的导向反射镜11a和半反射镜11b设置成预定姿态。如同在第一实施例中一样，半反射镜11b的可能的另一种方案是偏振光学薄膜，例如透射包括可见光的外部光通量的偏振光束分离器或全息光学薄膜。

在平面基片11的外侧表面1b上，形成以预定减少比例减少外部光通量L2的减光薄膜20。该减光薄膜20的功能是以预定比例减少外部图像的亮度。

下面将描述减光薄膜20的具体例子。

作为一般的减光薄膜的材料，所用的是金属元件，例如铝(Al)、铬(Cr)、钨(W)或铑(Ro)，或铬镍铁合金等。

但是，这些材料具有光吸收性质(吸光度)，因此，如果不考虑在平面基片11上提供减光薄膜20，那末在平面基片11中的内表面反射的一定量的图像传输光通量L1将被该减光薄膜20吸收。也就是，图像传输光通量L1的光路的光强将受到极大损失。

因此，为了防止光强的衰减，由银(Ag)薄膜和电介质薄膜的重叠构成的两层薄膜用作这个实施例中的减光薄膜20。减光薄膜的基本结构如下：

平面基片/Ag/0.25L/空气，其中

Ag：银(银层)，

L：低折射率电介质(L层)，并且

L层左侧的数字值：L层的层厚(所用波长范围的中心波长)。

在这种基本结构中，L层用来保护受空气侵蚀的银层表面并且提高对以大入射角入射的光的反射比。

减光薄膜20的详细情况(规格)如下：

设置透射比：30％(对于0度入射角)，

中心波长λ_C：500纳米，

平面基片的折射率：1.56，

银层的层厚：30纳米，以及

L层的折射率：1.46。

此外，作为单一元件，银层的光学常数示于图39和图40。图39示出作为单一元件的银层的折射率的波长特性，而图40示出作为单一元件的银层的消光系数的波长特性。

减光薄膜20的平面基片11一侧的反射比和透射比的波长特性(入射角0°，45°)示于图41。而且，减光薄膜20的平面基片11一侧的反射比和透射比的角度特性(波长550纳米)示于图42。

在图41和图42中，“R”表示反射比，而“T”表示透射比。反射比或透射比的下标“p”表示对p-偏振部分的特性，反射比或透射比的下标“s”表示对s-偏振部分的特性(这也适用于其他附图)。

正如从图41和图42清楚地所见，该减光薄膜20对于以40°或更大的入射角入射的s-偏振部分的可见光表现出基本上100％的反射比。而且，该减光薄膜20对于以0°入射角入射的可见光表现出约30％的透射比。

因此，减光薄膜20减少图像传输光通量L1的光路的光强的衰减并以约70％的减少比例只减少可见光谱中的外部光通量L2。

此时，保持观察眼睛观察的图像(显示图像)的亮度，而外部图像的亮度减少约30％。因此，当外部视场是明亮的时，显示图像的可见性肯定被增强。因此根据减光薄膜20的反射比-透射比特性按照入射角选择适当类型的薄膜使得能够以最小的结构获得所希望的效果。

虽然这个实施例的减光薄膜20的基本结构是银层和电介质层的两层结构，也可以用其他金属层代替银层，或者也可以采用两个电介质层夹着一个金属层的三层结构。但是银层和电介质层的两层结构能够比较容易提供良好的特性(仅减少外部光通量L2而不增加图像传输光通量LI的衰减的特性)。

【第八实施例的第一修改实例】

下面根据图43和图44描述第八实施例的第一修改实例。

这个修改实例是减光薄膜20的修改实例。

这个修改实例的减光薄膜20仅由电介质制成。在这个减光薄膜20中，每层的厚度设置成以便在各层的界面上的反射光的相位具有所想要的关系，并且根据反射光的相位关系，能够设置各种特性。因此，设置透射比的自由度比第八实施例的减光薄膜20大。这种减光薄膜20具有如下三种基本结构：

平面基片/(0.25H0.25L)^P/空气

平面基片/(0.125H0.25L0.125H)^P/空气，和

平面基片/(0.125L0.25H0.125L)^P/空气，其中

H：高折射率电介质(H层)

L：低折射率电介质(L层)

每层左侧的数值：每层的光学层的厚度(所用波长范围的中心波长)，以及

p：被括号括起的层组的叠层数目。

根据这些基本结构，能够减少对一定光的透射比并且提高对一定光的反射比。

但是，为了确保减少外部图像的亮度，必需构造减光薄膜20，以设置中心波长不同的多种循环层组，以便增大能够减少其透射比的光的波长范围，直到整个可见光谱。

而且，为了减少取决于颜色的透射比的变化，必需通过计算机对所有层的层厚进行优化。

优化之后的减光薄膜的详细情况(规格)如下：

设置透射比：5％

中心波长λ_C：480纳米

平面基片的折射率：1.583

H层的折射率：2.3

L层的折射率：1.46，以及

层的总数：22。

该减光薄膜20的结构示于图43。

平面基片用SCHOTT制造的N-BAF3，H层和L层用与第六实施例相同的H层和L层。

该减光薄膜20的透射比的波长特性示于图44。

如图44所示，该减光薄膜20对可见光表现出大约5％的透射比。因此，根据这种修改实例，外部图像的亮度减少到约5％。

【第八实施例的第二修改实例】

以下根据图45和图46描述第八实施例的第二修改实例。

这个修改实例是减光薄膜20的修改实例。

这个修改实例的减光薄膜20的设置透射比是15％。这个减光薄膜20也仅由电介质制造，并且其基本结构与第一修改实例的基本结构相同。

该减光薄膜20的详细情况(规格)如下：

设置透射比：15％

中心波长λ_C：480纳米

平面基片的折射率：1.583

H层的折射率：2.3

L层的折射率：1.46，以及

层的总数：18。

该减光薄膜20的结构示于图45。而且，使用与这个实施例的第一修改实例相同的材料。

这种减光薄膜20的透射比的波长特性示于图46。

正如从图46所清楚地看到的，该减光薄膜20对可见光表现出15％的透射比。因此，根据这个修改实例，外部图像的亮度减少到约15％。

【修改实例的补充】

鉴于平面基片11的内反射条件，在这种条件下讨论第一修改实例和第二修改实例的减光薄膜20，确保显示图像的亮度，也就是说，在这种条件下，对于在该平面基片中被内表面反射的图像传输光通量L1实现约100％的反射。

首先，假定在平面基片11上不设置减光薄膜20的状态，如图47(a)所示。

根据Snell定律提出如下表达式，其中n₀是该平面基片11存在与其中的空气作为介质的空气的折射率，n_g是作为平面基片材料的玻璃的折射率，而θ₀、θ_g是光在该平面基片11和该介质上的入射角。

n₀ sin θ₀＝n_g sin θ_g

因此，在这种状态下该平面基片11的临界角θ_C(允许内表面反射的光的入射角的最小值)由下述表达式表示：

θ_c＝arc sin(n₀/n_g)

下面，假定在平面基片11上设置由多层电介质薄膜制成的减光薄膜20的状态，如图47(b)所示。如果该多层薄膜的每层不具有吸收性(零吸收性)，根据Snell定律提出下述表达式，其中n₁、n₂……n_k是该多层薄膜各层的折射率，而θ₁、θ₂……θ_k是光在各层上的入射角。

n₀ sinθ₀＝n₁sinθ₁

         ＝n₂sinθ₂

           ……

         ＝n_ksinθ_k

         ＝n_gsinθ_g

因此，如果该多层薄膜的每层不具有吸收性，那末平面基片11的临界角θ_c由没有提供减光薄膜20的状态的同一个表达式表示。

因此，无吸收性电介质用作第一实例和第二实例的减光薄膜20。

此外，利用无吸收性电介质的第一修改实例和第二修改实例的减光薄膜(平面基片11的内反射的反射比)的平面基片11一侧的反射比的角度特性示于图48。

如图48所示，该减光薄膜20对以45°或更大入射角入射的光表现出约100％的反射比。

【第八实施例的第三修改实例】

以下根据图49、图50、图51、图52和图53描述第八实施例的第三修改实例。

这个修改实例是减光薄膜20的修改实例。

这个修改实例的减光薄膜20具有防紫外和红外的功能。

这种减光薄膜也仅用电介质制造，并且其基本结构与第一修改实例和第二修改实例的结构相同。

在这个修改实例中，为了提供紫外和红外防护功能，吸收性的电介质确实用作H层。利用二氧化钛(TiO₂)作为吸收性电介质。

二氧化钛(TiO₂)的光学常数示于图49和图50。图49示出二氧化钛(TiO₂)的折射率的波长特性，而图50示出示出二氧化钛(TiO₂)的消光系数的的波长特性。

该减光薄膜20的详细情况(规格)如下：

设置透射比：30％

中心波长λ_C：800纳米

平面基片的折射率：1.583

L层的折射率：1.46，以及

层的总数：48。

该减光薄膜20的结构示于图51。而且，与这个实施例的第一修改实例相同的材料用于该平面基片和L层。

这种减光薄膜20的透射比的波长特性示于图52。这个修改实例的减光薄膜20的平面基片11一侧的反射比特性(该平面基片11的内反射的反射比)示于图53。

如图53所示，反射比的波长特性的曲线呈锯齿形(反射比的谷值)。

另一方面，该眼镜显示器的液晶显示元件21的发射波长特性曲线在红色、绿色和蓝色的相应波长中通常具有峰值。

因此，微调这个修改实例的减光薄膜20的结构，以便反射比的波长特性的曲线的谷值偏离该发射波长特性曲线的峰值。

结果，包括在该图像传输光通量L2中的每个波长部分在该平面基片11中无疑以高反射比内表面反射。因此确保显示图像的亮度。

此外，如图53中所见，s-偏振部分的曲线和p-偏振部分的曲线谷值发生的形式不同。具体说，在p-偏振部分的曲线中发生的谷值比较小。

因此，在这种减光薄膜20应用于眼镜显示器的情况下，通过将图像传输光通量限制在p-偏振部分，能够确保将反射比的波长特性曲线的谷值偏离发射波长特性曲线的峰值。

此外，由于液晶显示元件的原理，该图像传输光通量L1被偏振，因此，通过优化该液晶显示元件21和平面基片11的位置关系，以便其偏振方向相对于该减光薄膜变成p-偏振方向，或者通过在该液晶显示元件21的后续级(stage)上插入相位板，能够仅将图像传输光通量L1限制成p-偏振部分。

【第九实施例】

以下将参考图54、图55、图56和图57描述本发明的第九实施例。

这个实施例是眼镜显示器的实施例。这里，仅描述与第八实施例的不同之处。

图54是这种眼镜显示器的外观图。在图54中坐标系是右手定则XYZ笛卡儿坐标系，其中如果从观察者看，X方向指向下，Y方向指向右。在下面的描述中，用XYZ坐标系描述的方向或从观察者看用上下左右表示的方向将根据需要使用。

如图54所示，这种眼镜显示器与第八实施例的眼镜显示器的不同之处在于，在图像显示光学系统1中靠近半反射镜11b的中心区域的光减少比例设置成大于该图像显示光学系统1的中心区域外侧的周边区域的光减少比例。

而且，为了平衡从外部视场向观察眼睛(观察者的右眼)引导的外部光通量的光强和从外部视场向非观察眼睛(观察者的左眼)引导的外部光通量的光强，此外，为了平衡眼镜显示器的左右外观，非观察眼睛一侧的前面具有类似于图像显示光学统1减光功能，和平面基片5，该平面基片5具有与该图像显示光学系统1同样的外观。

图55是该眼镜显示器的光学系统部分的详细情况，并且是该眼镜显示器的光学系统部分沿着平行于YZ平面的平面截取的示意剖视图。

如图55所示，在这个眼镜显示器中的图像传输光通量L1和外部光通量L2的状态与第八实施例(见图38)是一样的。

在构成图像显示光学系统1的平面基片1b的外侧表面上，设置与第八实施例或其修改实例同样的减光薄膜20。

但是，由多层金属薄膜或电介质薄膜制成的减光薄膜40重叠在该减光薄膜20表面的中心区。

因此，在图像显示光学系统1的中心区的光减少比例大于该图像显示光学系统1的周边区的光减少比例。

此外，从观察者看的中心区域位置和从观察者看的半反射镜11b的位置是基本相同的。而且，从观察者看的该中心区域的尺寸稍稍大于从观察者看的半反射镜11b的尺寸。

在如上所述的这种眼镜显示器中，图像显示的背景部分的外部图像的亮度被特别显著地减小，以便进一步增强该显示图像的可见性。

下面，将描述减光薄膜20，40的具体例子。

该减光薄膜20用与第八实施例的修改实例同样的多层电介质薄膜制造。减光薄膜40也用与第八实施例的修改实例同样的多层电介质薄膜制造。还使用用与第八实施例的修改实例同样的平面基片。

该减光薄膜20的详细情况(规格)如下：

减光薄膜20的设置透射比：50％

减光薄膜40的设置透射比：50％

中心波长λ_C：800纳米

平面基片的折射率：1.583

H层的折射率：2.3

L层的折射率：1.46

减光薄膜20的总层数：11

减光薄膜40的总层数：16

减光薄膜20、40的结构示于图56。

减光薄膜20、40的中心区的透射比的波长特性以及减光薄膜20的周边区的透射比的波长特性示于图57。

如图57清楚地所示，可见光中心区的透射比是约25％，可见光的周边区的透射比是约50％。

因此，根据这种眼镜显示器，整个外部图像图像的亮度减少到约50％，而该显示图像的背景部分的外部图像减少到约25％。

在这个实施例中，减光薄膜20和减光薄膜40相互重叠，但是它们不需要相互重叠。在这种情况下，在中心区具有开口的减光薄膜20设置在平面基片11上，而减光比例比减光薄膜20高的减光薄膜40设置在该开口中。但是，在这种情况下，在形成减光薄膜20和形成减光薄膜40期间需要掩膜，因此，为了减少制造成本，更加希望减光薄膜20和减光薄膜40相互重叠。

【第九实施例的第一修改实例】

下面根据图58和图59描述第九实施例的第一修改实例。

这个修改实例是减光薄膜20和减光薄膜40的修改实例。

本修改实例的减光薄膜40是由金属薄膜制成的。

这个修改实例的减光薄膜20的结构和图45所示的结构是一样的。作为单个元件该减光薄膜20具有和图46所示的同样特性。

至于减光薄膜40的结构，其包括一个5mm厚的铬(Cr)层。同时，该减光薄膜20、40的中心区具有图58所示的透射比的波长特性。

而且，该减光薄膜20的平面基片11一侧的上的反射比(该平面基片11的内反射比)的角度特性(中心区的特性)示于图59。

如图59所示，对于以40°或更大的入射角入射的上述光的s-偏振部分反射比具有高数值。但是，对于这种光的p-偏振部分的反射比很低。因此在这个修改实例的减光薄膜20、40应用于眼镜显示器的情况下，图像传输光通量L1被限制在s-偏振部分。

此外，由于液晶显示元件21的原理，图像传输光通量L1被偏振，因此通过优化该液晶显示元件21和该平面基片11的位置关系，使得其偏振方向变成s-偏振方向，或者通过在该液晶显示元件21的后续级上插入相位板，能够仅将图像传输光通量L1限制成s-偏振部分。

【第九实施例的第二修改实例】

下面根据图60和图61描述第九实施例的第二修改实例。

这个修改实例是减光薄膜20的修改实例。这个修改实例的减光薄膜20用全息光学薄膜制造。

在制造这种全息光学薄膜时发生两次曝光。

第一次曝光是用于使该全息光学薄膜具有透射以大约0°入射角的入射的光特性的曝光，具有预定的透射比。这次曝光发生在例如如图60所示的光学系统中。

具体说，两个光通量竖直入射在全息光敏材料56上。光学衰减器插入其中一个光通量中。透射比值可以通过光衰减器52的衰减量设置。在图60中，51表示激光光源(能够辐射波长为红色、绿色和蓝色的激光光束)。BS表示分束管，M表示反射镜，53表示光束扩展器，55表示分束管。

第二次曝光是用于确保对在平面基片11中内表面反射的图像传输光通量L1的反射比的曝光。这次曝光发生在例如如图61所示的光学系统中。

具体说，两个光通量以与在平面基片11中内表面反射的图像传输光通量L1的角度相同的角度入射在全息光敏材料56上。在图61中，51表示激光光源(能够辐射波长为红色、绿色和蓝色的激光光束)。BS表示分束管，M表示反射镜，53表示光束扩展器，57表示分束管。

两次曝光之后，全息光敏材料56被显影，以便完成为息光学薄膜。

这样完成全息光学薄膜具有减光薄膜20需要具有的功能。

虽然这个修改实例是由全息光学薄膜制成的减光薄膜20的修改实例，但是该减光薄膜20和减光薄膜40能够由一种全息光学薄膜构成。

在这种全息光学薄膜的制造中，第一次曝光以两个分开的步骤进行。

在其中一个曝光步骤中，全息光学薄膜的中心区域被暴露(周边区域被遮蔽)，在另一个曝光步骤中，该周边区域被暴露(该中心区域被遮蔽)。

在这两个曝光步骤中，光衰减器52的衰减量设置为不同值。因此，该全息光学薄膜的中心区的透射比和周边区域的透射比设置为不同值。

【第十实施例】

下面根据图62、图63、图64、图65和图66描述本发明的第十实施例。

这个实施例是眼镜显示器的实施例。在这里，只描述与第八实施例的不同之处。

图62是这种眼镜显示器的外观图。图62的坐标系是右手定则的XYZ笛卡儿座标系，其中，如果从观察者看，X方向指向下，Y方向指向右。在下面的描述中，由XYZ座标系表示的方向或由从观察者看的上下左右表示的方向将根据需要而使用。

如图62所示，这种眼镜显示器的外观和第八实施例的外观(见图37)基本相同。

图63是这种眼镜显示器的详图，并且是这种眼镜显示器的光学系统部分沿着平行于YZ平面的平面截取的示意剖视图。

如图63所示，在该眼镜显示器中的图像传输光通量L1和外部光通量L2的状态和第八实施例的状态(见图38)是同样的。

第一光学薄膜60设置在平面基片11的外侧表面1b上。由光学玻璃制造的第二平面基片70设置在该第一光学薄膜60的表面上。第二光学薄膜80也粘贴在该的二平面基片70的表面上。

该第一光学薄膜60以和空气隙同样的方式作用于该平面基片11。具体说，该第一光学薄膜60的平面基片11的侧界面以基本上100％的反射比反射图像传输光通量L1。而且，第一光学薄膜60透射外部光通量L2。此外，第一光学薄膜可以具有减少可见光的功能和防紫外或红外的功能。

该第二平面基片70和第二光学薄膜80具有减少外部光通量L2的功能。此外，该第二平面基片70和第二光学薄膜80可以具有减少可见光的功能和防紫外或红外的功能。

在这种眼镜显示器中，第一光学薄膜60的功能确保对在平面基片11中内表面反射的图像传输光通量L1的反射比，因此第二平面基片70和第二光学薄膜80具有增强对该图像传输光通量L1的反射比不是必需的。

因此，构造该第二平面基片70和第二光学薄膜80的自由度很大。例如任何类型的出射光学滤光器玻璃可以应用于该第二平面基片70。

因此，第二平面基片70和第二光学薄膜80可以具有较高的减光功能。

高减光功能是指，例如，决于入射角的减光比例取的变化很小，取决于波长的减光比例的变化很小等。

下面将描述第一光学薄膜的具体例子。在这里将描述图像传输光通量被限制在s-偏振部分的情况。

第一光学薄膜60的结构如下：

平面基片/(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)⁴(0.15L0.28H0.125L)/第二平面基片，其中

H：高折射率电介质(H层)

L：低折射率电介质(L层)

每层左侧上的数字值：每层的层厚(所用波长范围的中心波长)以及

上标数字：括号中的层组重叠的数目。

第一光学薄膜60的详细情况(规格)如下：

0169中心波长λ_C：850纳米，

平面基片的折射率：1.56，

H层的折射率：2.30

L层的折射率：1.46

第二平面基片的折射率：1.507，

第二平面基片的消光系数＝0.01。

此外，第二平面基片70的消光系数设置成大值，例如0.01，其目的是通过利用作为第二平面基片70的折射率为1.50和厚度为1mm的各种类型的光学滤光玻璃，提供具有各种减光特性和波长截断功能的第二平面基片70。

图64示出折射率为1.50和厚度为1mm的玻璃基片的计算的消光系数k和透射比之间的校正。

从图64可以看到，实际消光系数k的最大值是0.01。

因此，将第二平面基片70的消光系数设置为0.01使得无论哪些光滤光器玻璃用作第二平面基片70，都能够构造有效的第一光学薄膜60。

第一光学薄膜的平面基片11一侧的反射比的波长特性(入射角0°，60°)示于图65。

而且，第一光学薄膜60的第二平面基片70一侧的反射比的角度特性示于图66。

如图65所示和图66清楚地所示，该第一光学薄膜60对以0°入射角入射的可见光的s-偏振部分表现出10％或更低的反射比，而对对以60°入射角入射的可见光的s-偏振部分表现出基本上100％的反射比。

而且，如前所述，任何滤光器玻璃可以用作第二平面基片70。也就是说，市场上销售的任何滤光器玻璃，例如紫外保护器、红外保护器、滤色器以及中性光强滤光器(对可见光谱中所有波长均匀地减光的滤光器)都能够应用于第二平面基片70。

而且，作为第二光学薄膜80，可以用适合于保护该第二平面基片70的表面的任何薄膜，例如，防反射薄膜等。优选地，当与第二平面基片70组合时实现所希望的性能的薄膜应用于该第二光学薄膜80。

例如，中性光强滤光器可以用作第二平面基片70，而红外保护薄膜可以用作第二光学薄膜80。而且，紫外保护玻璃可以用作第二平面基片70，而减光薄膜和紫外保护薄膜可以用作第二光学薄膜80。

简言之，第二平面基片70和第二光学薄膜80的组合可以根据眼镜显示器需要具有的性能、眼镜显示器的制造成本等适当地选择。

此外，诸如各种滤光器的各种多层薄膜的种类和功能详细的描述在参考文献中，例如Macleod撰写的″Thin-Film optical Filters 3^rdEdition″一文中，因此其详细描述在这里被省去。

在第一光学薄膜60的上述结构中，为什么在多循环层组的两侧上设置单循环层组的理由是调节第一光学薄膜60和平面基片11之间的折射率失配(mismatch)，以及调节第一光学薄膜60和第二平面基片70之间的折射率失配(即，每个单循环层组是一个匹配层)。该匹配层用来微调第一光学薄膜的特性，例如将减小的透射比所对应的波长范围的波动减小。

【第十实施例的修改实例】

第一光学薄膜60的结构可以与上述结构不同。无论应用那种结构，都包括适当的循环层组。而且，无论应用那种结构，希望用计算机进行优化。

而且，当第二光学薄膜80和第二平面基片70组合时，也可以应用铬(Cr)金属薄膜等和消光系数小的光学玻璃基片的组合。

而且，作为第二光学薄膜80，也可应用各种功能光学薄膜，例如电致变色薄膜(EC薄膜)，光致变色薄膜(PC薄膜)等。

电致变色薄膜(EC薄膜)使使用者根据由使用者的接通操作所决定的眼镜显示器的使用状态能够选择必需减光或不减光。例如，使用者可以进行下述选择，例如，在白天在眼镜显示器用于户外的情况下，当外部图像特别明亮时，减少光，而在眼镜显示器用于室内的情况下，当外部图像不是非常明亮时，不减光。

通过这种操作，无论眼镜显示器的使用状态如何，能够保持外部图像的可见性和显示图像的可见性。

而且，如果使用光致变色薄膜，只有当外部光通量L2的光强很高时，该外部光通量L2能够自动减少，使得能够自动保持外部图像的可见性和显示图像的可见性，而与眼镜显示器的使用状态无关。

利用上述功能薄膜显著地改善眼镜显示器的功能。

而且，在这种眼镜显示器中，如同第九实施例一样，该图象显示光学系统1的中心区域的减光比例能够很容易设置成高于图像显示光学系统1的周边区域的减光比例。

例如，第二平面基片70由中性强度滤光器制成，第二光学薄膜80由减光薄膜制造，第二光学薄膜的形成区仅限于中心区。

在这种眼镜显示器中，第一光学薄膜60可以用全息光学薄膜制造。图61所示的光学系统用于制造全息光学薄膜。但是，由于使用时第一光学薄膜60夹在平面基片11和第二平面基片70之间，与这些平面基片相同形状的辅助棱镜设置在图61的两个光通量的光路中。

而且，在这种眼镜显示器中，第二光学薄膜80可以用全息光学薄膜制造。

【其他实施例】

上述第八实施例至第十实施例(包括其修改实例)的减光功能可以设置在第一实施例至第七实施例的任何眼镜显示器中。

工业实用性

在上述实施例中，只描述了眼镜显示器，但是本发明同样可以应用于照相机、双筒望远镜、显微镜、望远镜等的取景器等。

Claims (21)

1.一种光学元件，包括：

预定的光通量能够通过其内部传播的平面基片；和

光学功能单元，其设置成与所述传播的预定的光通量所能够到达的所述平面基片的表面紧密接触，并具有干涉或或衍射作用，所述作用反射该预定的光通量并透射到达该表面的外部光通量。

2.如权利要求1所述的光学元件，其中

所述光学功能单元具有反射在一个具体方向上偏振的所述预定光通量并透射在另一方向上偏振的光通量的性质。

3.如权利要求1或2所述的光学元件，其中

所述光学功能单元具有以所希望的反射特性反射以等于或大于临界角的入射角达到所述表面的所述预定光通量的性质，该临界角由所述平面基片和空气的折射率确定，并且该临界角是该平面基片内部的光通量被全反射的条件。

4.如权利要求1到3中任一项所述的光学元件，其中

所述光学功能单元具有减少所述外部光通量而不增加所述预定光通量的光路的光强衰减的功能。

5.一种合成器光学系统，包括：

根据权利要求1到3中任一项所述的光学元件，从预定的图像显示元件发射的图像传输光通量在该光学元件中传播，并且该光学元件至少在所述平面基片面向观察眼睛的状态下透射从外部视场引导到观察眼睛的所述外部光通量；和

设置在所述光学元件中的合成器，其沿着所述观察眼睛的方向反射已在所述平面基片中传播的所述图像传输光通量，并透射所述外部光通量。

6.如权利要求5所述的合成器光学系统，其中

所述光学功能单元是设置在所述平面基片的表面上的光学薄膜，并且

第二平面基片设置在所述光学薄膜的表面上。

7.如权利要求6所述的合成器光学系统，其中

所述第二平面基片是用于屈光度校正的折射器。

8.如权利要求6所述的合成器光学系统，其中

所述光学功能单元设置在所述平面基片的外侧表面上，并且

整个光学系统包括所述光学功能单元，并且所述第二平面基片具有减少所述外部光通量而不增加所述图像传输光通量的光路的光强衰减的功能。

9.如权利要求8所述的合成器光学系统，其中

所述第二平面基片具有吸收可见光的性质。

10.如权利要求8所述的合成器光学系统，其中

所述光学薄膜具有减少所述外部光通量而不增加所述图像传输光通量的光路的光强衰减的功能。

11.如权利要求8所述的合成器光学系统，其中

所述光学薄膜由金属和/或电介质制成。

12.如权利要求8所述的合成器光学系统，其中

所述光学薄膜由全息光学薄膜制成。

13.如权利要求8所述的合成器光学系统，其中

第二光学薄膜设置在所述第二平面基片的表面上。

14.如权利要求13所述的合成器光学系统，其中

所述第二光学薄膜由金属和/或电介质制成。

15.如权利要求13所述的合成器光学系统，其中

所述第二光学薄膜由全息光学薄膜制成。

16.如权利要求13所述的合成器光学系统，其中

所述第二光学薄膜由电致变色薄膜制成。

17.如权利要求13所述的合成器光学系统，其中

所述第二光学薄膜由光致变色薄膜制成。

18.如权利要求8至17中任何一项所述的合成器光学系统，其中

整个光学系统包括所述光学功能单元，并且所述第二平面基片减少入射在所述合成器上的所述外部光通量，其减少比例高于其余的外部光通量被减少的比例。

19.如权利要求5至18中任何一项所述的合成器光学系统，还包括

导向反射镜，用于沿着使所述图像传输光通量在所述平面基片中被内表面反射的方向引导从所述图像显示元件发出的所述图像传输光通量。

20.一种图像显示单元，包括：

图像显示元件，用于发射用于图像显示的图像传输光通量，和

根据权利要求5至19中任何一项的合成器光学系统，用于将所述图像传输光通量引导到所述观察眼睛。

21.如权利要求20所述的图像显示单元，还包括

安装部件，所述合成器光学系统通过该安装部件戴在观察者的头上。

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