虛像顯示設備的制作方法

專利名稱：虛像顯示設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種虛像顯示設備，其通過反射從半透明反射裝置上的光學單元投射的圖像信息，以及將虛像重疊到前景來使在半透明反射裝置上的虛像從觀察點可見。
背景技術：
這種類型的虛像顯示設備通常用于顯示系統中，其中，額外的圖像顯示為在觀察者前面的顯示器上的虛像，且額外的圖像重疊到圖像，或者已經顯示在顯示器上或者向前的景象上，以及尤其是用作用于諸如計算機游戲或者汽車之類的娛樂設備的信息顯示設備。
需要通過改變虛像的圖像距離來增加顯示器上的圖像的透視感。例如，在涉及向前的景象的圖像信息將顯示為虛像的情況下，其中，圖像信息重疊到向前的景象上，可以在沒有不舒服的感覺的情況下識別該圖像，且當虛像的圖像距離根據觀察者和顯示裝置中的景象之間的距離而改變時，可以獲得更加現實的感覺。
更加確切的，當觀察者和顯示裝置中的景象之間的距離更長時，觀察者和要被顯示在顯示器裝置上的虛像之間的距離會同樣變得更長，以便可以獲得更加現實的感覺。
當與普通的立體電視相比時，更清楚地理解虛像顯示為額外的圖像的優點，通過立體電視也可以獲得透視感。
普通電視在顯示區域以外具有外部框架，因此，觀察者的眼睛可能聚焦在外部框架上。在這樣的情況下，當顯示圖像的距離較大地改變時，其可能給出對觀察者不舒服的感覺。
因此，立體電視可能顯示這樣的圖像，其提供了較差的透視感。另一方面，當額外的圖像顯示為虛像時，圖像距離可以動態改變，因為根本不能識別顯示裝置的外部框架。
在傳統的虛像顯示設備中，顯示裝置上的圖像由凹鏡或者透鏡放大，且顯示為虛像，其中，機械地移動光學裝置來改變圖像距離。
在另一種傳統的虛像顯示設備中，披露了這樣的具有光學投射系統和物鏡的系統，其中，設置有一對光學投射系統，以及在投射透鏡的出射光瞳處的圖像形成在觀察者的右眼和左眼處，即，來自光學投射系統的光線在右眼和左眼處聚焦。
例如，這些傳統的設備在日本專利出版物(未審查的)H5-147456或者2001-356298中披露。
在通過機械移動光學裝置來改變圖像距離的情況下，大尺寸的屏幕是必需的，或者當圖像距離變得更長時，光學系統本身變得更大。
在傳統的虛像顯示設備用于汽車，且前擋風玻璃用作半透明反射裝置的情況下，擋風玻璃的曲率較大地改變，結果，在擋風玻璃上的圖像大大地變形。
此外，在具有一對光學投射系統和物鏡的傳統設備中，其中，來自各光學投射系統的光線通過使用物鏡來在左右眼處聚集，該對投射系統的光軸從物鏡的光軸移位，引起像差。結果，來自透鏡的整個區域的光線可能不在一個觀察點處聚集，以致觀察者不能識別整個圖像，引起了圖像的間斷。此外，當顯示的圖像變得更大時，物鏡必須制成更大，從而，像差不可避免地變得更大，降低了能見度。
即使實現了沒有像差的透鏡，當觀察者的觀察點(眼睛)移動即使較小的距離時，圖像的間斷也可能容易發生，因為聚焦點在小區域內。因此，即使當檢測觀察點的位置來控制光線時，也難獲得高的能見度。
因此，必須通過使投射透鏡的出射光瞳更大來在聚焦點處使光通量的直徑更大。然而，當出射光瞳變得更大時，投射透鏡和物鏡之間的距離，即，投射距離，變得更大，導致大尺寸的光學系統。
如上所述，在傳統的設備中有很多問題，即，在系統的一些光學裝置機械移動的情況下，光學系統變得更大，由于透鏡的像差，能見度降低(圖像間斷)，以及在出射光瞳變得更大的情況下，光學系統變得更大。

發明內容
考慮上述的問題來實現本發明，本發明的目的在于提供一種虛像顯示設備，其較小，具有較簡單的結構，且其實現了高質量的圖像顯示。
根據本發明的特征之一，虛像顯示設備包括用于投射圖像信息的光學單元；以及用于反射來自光學單元的圖像信息的半透明反射裝置，以便圖像信息可以在其觀察點(眼睛)處由觀察者識別為虛像，其中，圖像信息在遠處重疊。
光學單元包括一對光學投射系統，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置，用于照亮顯示裝置的光源，以及用于投射顯示裝置的圖像的投射透鏡，其中，該對光學投射系統投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；以及設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統，在該圖像聚焦位置處，形成來自該對光學投射系統的各個圖像。
圖像位置光學系統包括用于在投射透鏡的出射光瞳和觀察者的觀察點之間形成共軛關系的光學裝置；以及用于散射光線到這樣的程度的光學散射裝置，即，到觀察點之一的光線不能到達其它觀察點。
根據本發明的另一個特征，光學放大裝置可以增加到上面的設備中，以便該設備可以進一步制成更小。
根據本發明的還有的特征，可以設置檢測裝置來檢測觀察眼的位置，以調節要在觀察眼處聚集的光線。
根據本發明的還有的特征，可以提供單套光學投射系統，其中，圖像以分時的方式顯示在顯示裝置上，且分離成對于左右眼的各個圖像，以便可以獲得對于具有該對光學投射系統的設備的相同的效果。
根據本發明的還有的特征，提供一種光學組合裝置，用于組合來自該對光學投射系統的各圖像，且組合的圖像由半透明反射裝置反射，以便在不使用光學散射裝置的情況下獲得高質量的虛像。


參考附圖，從下面的詳細描述將更加清楚本發明的上述和其它目的、特征和優點。在附圖中圖1是根據本發明的第一個實施例的虛像顯示設備的示意圖；圖2是在圖1中顯示的觀察者的觀察點(眼睛)的視圖；圖3是當從上面觀察時，示出了來自光源的光線到達在圖1的設備中的觀察點的示意圖，其中，省略了半反射鏡和微型透鏡陣列；圖4是用于說明投射透鏡的出射光瞳的視圖；圖5是類似于圖3的示意圖，其中，顯示了在不存在透鏡的像差的情況下的光線；圖6是用于說明在圖1中顯示的第一個實施例的光學原理的示意圖；
圖7是第一個實施例的修改的示意圖，其中，提供了用于檢測觀察點的位置的檢測裝置；圖8是示出了根據本發明的第二個實施例的虛像顯示設備的示意圖；圖9是示出了根據本發明的第三個實施例的虛像顯示設備的示意圖；圖10是示出了根據本發明的第四個實施例的虛像顯示設備的示意圖；圖11是示出了根據本發明的第五個實施例的虛像顯示設備的示意圖；圖12是示出了根據本發明的第六個實施例的虛像顯示設備的示意圖；以及圖13是示出了根據本發明的第七個實施例的虛像顯示設備的示意圖。
具體實施例方式
(第一個實施例)下面將參考實施例來說明本發明。
在圖1中，示出了根據本發明的第一個實施例的虛像顯示設備S1的示意性結構，從光學單元100投射的圖像信息由半透明反射板200反射，以便圖像信息作為虛像變得從其觀察點(眼睛)301、302對觀察者可見，其中，虛像在遠處相互重疊。
圖2示出了觀察者的眼睛(301、302)，其中，黑的部分相應于眼睛的瞳孔，黑的部分的長度為瞳孔直徑。
光學單元100包括一對光學投射系統，即，用于左眼301的光學投射系統10和用于右眼302的光學投射系統20。
每個光學投射系統10、20具有用于圖像顯示的顯示裝置11、用于照亮顯示裝置11的光源12，以及投射透鏡13。
光學單元100還包括圖像位置光學系統30，其設置在這樣的位置處(圖像聚焦位置)，其中，該對光學投射系統10、20的圖像，即顯示裝置11的各圖像將通過投射透鏡13形成在圖像位置光學系統30上。
圖像位置光學系統30是一組包括用于聚集光的菲涅耳透鏡31和微型透鏡陣列32的透鏡。
用于光聚集的菲涅耳透鏡31是光學裝置，通過該光學裝置，投射透鏡13的投射眼和觀察者的觀察點301、302變成共軛關系。因此，除了聚集光的功能以外，透鏡31具有作為屏幕的功能，在該屏幕處，顯示裝置11的圖像被投射。
微型透鏡陣列32具有作為用于將來自光學投射系統10、20的光線散射到這樣的程度的光學散射裝置，即，到達眼睛301、302之一的光線不能到達其它眼睛的功能。
透鏡組30設置在圖像聚焦位置，通過投射透鏡13投射的顯示裝置11的圖像形成在該圖像聚焦位置，且這樣通過投射透鏡13形成的顯示的圖像由半反射鏡200反射，該半反射鏡是半透明的反射板，以便顯示的圖像在與觀察眼301、302相對的半反射鏡200的一側上反射為虛像。半反射鏡具有透射一部分光線和反射其它部分光線的功能。
如圖1所示，觀察者在這樣的可視位置330處將對于左右眼301、302的各虛像310、320識別為立體視覺的虛像，即，該位置距離半反射鏡200在虛像310、320還要前面，且在該位置處，兩個虛像310、320合并。結果，觀察者可以通過兩眼視差識別該圖像為具有透視的圖像。
如上所述，有兩個分別用于左右眼301、302的光學投射系統10、20。觀察點(眼睛)301、302之間的可視距離和由觀察者識別的可視位置330可以通過移動光學投射系統10、20的虛像310、320，即，通過在水平方向上移動顯示裝置11上的顯示的圖像來改變。
例如，當虛像310、320在水平方向上移動到進一步分離時，觀察者在更長的距離上識別圖像，反之亦然。
因此，優點在于，觀察者可以通過透視視差來識別具有深度感的虛像。該優點降低了系統的載荷，因為可視距離可以通過在顯示裝置11上簡單地移動顯示的圖像而不在其光軸的方向上移動透鏡和反射鏡來改變。
如上所述，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302相對于透鏡組30(圖像位置光學系統)的菲涅耳透鏡31處于共軛關系。
透鏡13的投射眼和菲涅耳透鏡31之間的光路長度“a”、菲涅耳透鏡31和觀察者的觀察點301、302之間的光路長度“b”，以及菲涅耳透鏡31的焦距“f”符合下面的關系式。(請看圖6)1/a+1/b＝1/f在該公式中，當計算菲涅耳透鏡31和觀察點301、302之間的光路長度“b”時，考慮在半反射鏡200處的光線反射。
如果在菲涅耳透鏡31中沒有像差，由于共軛關系，通過透鏡13的投射眼的所有光將在觀察點301、302上聚集。因此，將沒有光的浪費，從而可以增加顯示設備的亮度。
然而，實際上，在菲涅耳透鏡31中存在像差。如果將菲涅耳透鏡31制得更大來放大顯示圖像，那么透鏡31中的像差將相應地增加。
在這個方面，參考圖3和4進一步進行說明。當從觀察者上面的位置觀察時，圖3是示出了光學投射系統20、透鏡31和觀察點301、302的示意圖，其中，省略了半反射鏡200和微型透鏡陣列32。圖4是示出了投射透鏡13的出射光瞳的示意圖。
如圖4所示，投射透鏡13包括后透鏡13a、停止件13b和前透鏡13c。投射透鏡13的表現孔徑，即，當從出射側觀察時的停止件13b的表現尺寸是出射光瞳。在圖4中，出射光瞳的直徑13d在前透鏡13c中指出。
如圖3所示，投射眼的圖像通過菲涅耳透鏡31形成的位置相應于焦點。因此，在焦點處的光通量的直徑K2依賴于出射光瞳的直徑13d。
當縮短投射透鏡13和透鏡31之間的距離K1來使光學系統整個更小時，寬角度投射透鏡13變成必需。當寬角度變得更大時，出射光瞳變得更小，從而在焦點處的光通量的直徑K2變得更小。
這樣，在光學系統的小型化和通過使投射眼更大來增加焦點處的光通量的直徑K2之間存在折衷關系。
還是如圖3所示，由于透鏡31的像差，焦點根據在透鏡31處的通過點而相互不同。例如，在鄰近透鏡31的中心的點處通過透鏡31的光線B、C和D將在遠離透鏡31的位置上聚集，而在透鏡的邊緣附近的位置處通過透鏡31的光線A和E將在更靠近透鏡31的位置上聚集。
在觀察點301、302定位在位置X的情況下，光線A、C和E到達觀察者的右眼302。結果，觀察者只能部分地識別圖像，其覆蓋中間和邊緣的圖像。觀察者不能識別整體圖像的其它環形部分。
在觀察點301、302定位在位置Y處的情況下，光線C和D到達觀察者的右眼302。觀察者不能識別邊緣部分的圖像。
如上所述，在觀察點處可能出現圖像的間斷。這是因為在不同位置處通過菲涅耳透鏡31的各個焦點由于透鏡的像差(在該情況下的彗差)而相互不同，且因為光通量的直徑較小，從而有一些根據觀察點的位置而不能到達觀察者的眼睛的光通量。
圖5是顯示了在菲涅耳透鏡31中不存在像差的情況下的示意圖。如圖5所示，通過透鏡31的的不同點的各光線可以在一個焦點上聚集。然而，在這樣的情況下不利的在于，當觀察者的瞳孔的觀察點移位即使較小的距離，圖像也不能識別。這是因為各光通量的直徑較小，且瞳孔的直徑也較小。
當檢測觀察點的位置，且焦點的位置將根據觀察點的檢測位置而改變時，復雜的控制是必需的，以克服上述的缺點。然而，考慮到設備的成本和尺寸，這是不實際的。此外，去除透鏡的像差的成本較高，因為這要求許多透鏡。
因此，微型透鏡陣列32在本發明中用作光學散射裝置。由于根據透鏡的曲率，光線可以通過微型透鏡陣列32來散射，所以可以防止在觀察點處的圖像的間斷。
圖6是示出了根據本發明的虛像顯示設備S1的光學原理的示意圖。當與圖3比較時，在圖6中加入了微型透鏡陣列32。
如上所述，微型透鏡陣列32具有根據透鏡的曲率來散射光線的功能，從而可以放大光通量。通過菲涅耳透鏡31的所有光通量可以通過微型透鏡陣列32來放大，以便所有的光線A到E可以到達觀察點302。結果，可以防止在觀察點處的圖像間斷。
從圖6可以理解的，在位置X和Y處可以由觀察者識別完整的圖像。這意味著可視區域在光軸上擴展。如果對于右眼的光線到達左眼，或者反過來，那么將發生所謂的串擾。
當在水平方向上調節微型透鏡陣列32的曲率，以致不可能發生串擾時，同時也能防止圖像的間斷和串擾。
當微型透鏡陣列32在垂直方向上的曲率比在水平方向上的要小時，在垂直方向上的散射度比在水平方向上的散射度要大。結果，沒有必要響應于在垂直方向上的觀察點的移動來在垂直方向上控制光線。
然而，在觀察點在水平方向上移動的情況下，當觀察點移動超過瞳孔距離的一半時，必須控制光線。將說明一種用于響應于眼睛在水平方向的移動來控制光線的設備。
(第一個實施例的修改)圖7是圖1的虛像顯示設備的修改的設備的示意圖，其中，增加了用于檢測觀察眼的位置的相機40和通過電動馬達44旋轉的反射鏡42。相機40包括CCD傳感器，且CCD傳感器的圖像信息通過電子控制單元46來分析。
觀察者的圖像由相機40拍攝，且由控制單元46分析，以識別觀察點301、302的位置。然后，反射鏡42的旋轉角由控制單元46計算，且由電動馬達44旋轉，以便來自光學投射系統10、20的光線分別到達左右觀察點301、302。
因此，即使當觀察者在水平方向上移動，從而觀察點301、302移位時，可以識別圖像。例如，圖7示出了觀察點301、302在向右的方向上移動的情況。
如在圖7中顯示的改進，反射鏡42插入從光源12到半反射鏡200的光路中，光線被偏離，以便光學系統可以作為整體減小尺寸。
在圖1的情況下，其中，沒有使用反射鏡42，設備的垂直長度不可避免地大，而圖7的設備的垂直長度可以通過使用反射鏡而制得更小，當該設備用于汽車時，這是特別優選的。
當光線被偏離時，可能發生要被顯示的圖像的變形。即，當光到透鏡組30的入射角通過旋轉反射鏡42而傾斜時，要被顯示的圖像會變形。
此外，在這種類型的設備用于汽車的情況下，其中，汽車的前面玻璃(擋風玻璃)用作半透明反射板(半反射鏡)200，由于前面玻璃(擋風玻璃)的曲率可能進一步產生圖像的變形。
然而，當顯示裝置11的顯示圖像提前變形，以致該變形可以彌補要在光線偏離處產生的變形時，可以獲得在好的條件下(沒有變形)的圖像。
根據上述的實施例，有下面的優點。
可以防止光學系統在尺寸上變得更大，因為觀察點301、302和可視位置330之間的可視距離可以通過移動由該對光學投射系統10、20形成的在顯示裝置11上的顯示的圖像的位置來改變，在該可視位置330處由觀察者識別虛像。即，根據該實施例，光學裝置可以沒有物理移動。
由于圖像位置光學系統(透鏡組)30具有光學裝置(菲涅耳透鏡)31，使得投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302成共軛關系，所以通過投射透鏡13的出射光瞳的所有光線可以在觀察者的觀察點處聚集，從而顯示圖像可以變得更亮。
此外，圖像位置光學系統30具有光學散射裝置32，根據該光學散射裝置，光線散射到這樣的程度，即，到觀察點之一的光線不能到達其它觀察點。結果，在焦點處的光通量的直徑可以在不使投射透鏡13的投射眼制得更大的情況下以這樣的程度變得更大，即，到觀察點之一的光線不能到達其它觀察點。
即，即使當有透鏡像差時，也可以防止圖像的間斷，然后可以抑制能見度的降低。此外，沒有必要響應于觀察點的移動來控制光線。
如上所述，根據該實施例，光學裝置以更簡單的結構來制得更小，同時可以獲得高質量的圖像。
在上述的實施例中，微型透鏡陣列32用作光學散射裝置，其中，微型透鏡陣列32在垂直方向上的曲率優選地制得比在水平方向上小。
如已經說明的，在光學散射的情況下，必須防止串擾，以便到觀察點之一的光線不能到達其它觀察點。這意味著對光學散射裝置在其水平方向上的曲率有一定限制。
另一方面，對于在垂直方向上的散射沒有什么限制，因為人的右眼和左眼設置在水平方向上。這就是為什么光學散射裝置在垂直方向上的曲率可以制得更小的原因。作為其結果，在大多數情況下不需要在垂直方向上追蹤觀察點。
如也在第一個實施例的修改中說明的，考慮到光學系統的尺寸減小，最好在反射鏡42處偏離光線，該反射鏡設置在從光源12到半反射鏡200的光路中。
在上面的改進中，設置用于檢測觀察點301、302的位置的相機40，和反射鏡42，以及用于控制到觀察點的光線的電動馬達44。由于反射鏡42設置為在水平面上旋轉，所以觀察點在水平方向上的追蹤可以以優選的方式來進行。
此外，在上述的修改中，顯示在顯示裝置11上的圖像提前變形，使得可以彌補通過光學投影系統10、20形成在反射半反射鏡200上的變形的圖像，以獲得高質量的圖像。
(第二個實施例)圖8是示出了根據本發明的第二個實施例的虛像顯示設備S2的示意圖，其中，棱鏡片33被加到在圖1中顯示的設備S1的圖像位置光學系統30。
在圖8中，棱鏡片33設置在透鏡組(圖像位置光學系統)30中，其中，該棱鏡片33接觸菲涅耳透鏡31。光線由棱鏡片33折射。
這里的棱鏡片33是包括條紋形顯微棱鏡且具有折射光線功能的光學裝置。通過該棱鏡片33來從光學投射系統10、20在相對于透鏡組30的表面傾斜的方向上入射光線是可能的。
在該棱鏡片33中，出射光線的角(出射角)變得比來自光學投射系統10、20的光線的入射角小，以便可以合適地獲得用于折射光線的透鏡效果。
結果，光學投射系統10、20可以設置在更加鄰近透鏡組30的位置處，從而可以實現光學系統的小型化。例如，在圖8中實現了設備在垂直方向上的尺寸減小。
此外，棱鏡片33設置在圖像形成的位置處，在該位置處形成光學投射系統10、20的顯示裝置11的圖像，即，在包括菲涅耳透鏡31的透鏡組30中。因此，可以消除由棱鏡片33引起的色差的影響。在該實施例中通過將菲涅耳透鏡31、微型透鏡陣列32和棱鏡片33形成為一個單元來獲得該效果。然而，不是總是必須將這些裝置形成為一個單元。當棱鏡片33設置為鄰近但是離開透鏡組30時，也能獲得同樣的效果。
如上所述，可以獲得虛像顯示設備S2，除了由在圖1中顯示的設備獲得的效果以外，設備S2具有減小設備尺寸和抑制由棱鏡片33產生的色差的影響的效果。
(第三個實施例)圖9是示出了根據本發明的第三個實施例的虛像顯示設備S3的示意圖，其中，放大菲涅耳透鏡34加到在圖1中顯示的設備S1中。
放大菲涅耳透鏡34設置在這樣一個位置，其從透鏡組30(聚集菲涅耳透鏡31和微型透鏡陣列32)分離，且更鄰近觀察者。透鏡34具有放大透鏡組30上的圖像的功能。
在圖1的設備中，光學投射系統10、20的圖像形成在透鏡組30上，且其虛像由半反射鏡200顯示。因此，從觀察點301、302到透鏡組30的光路長度相應于虛像距離觀察點301、302的圖像形成長度。
當圖像合并點(可視位置)的可視距離需要通過視差在立體視覺中變得更長時，其中，左右眼的虛像310、320在該圖像合并點處合并成一個圖像，對于虛像310、320的圖像形成長度將變得更長，以便兩個圖像容易合并成立體視覺的虛像330。
這是因為觀察者的不舒服的感覺由于這樣的原因而下降，即，在當調節眼睛301、302的會聚來看著視差圖像時觀察者的距離感與在聚焦調節處來調節眼睛的焦點到圖像形成的位置的距離感之間減小差別。
在上述實施例中，放大菲涅耳透鏡34設置在半反射鏡200和包括聚集菲涅耳透鏡31和微型透鏡陣列32的透鏡組30之間，以便形成在透鏡組30上的光學投射系統10、20的圖像310、320在遠處被放大和顯示。
在聚集菲涅耳透鏡31和放大菲涅耳透鏡34被看成是構成一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302相對于主點成共軛關系，從而在遠處的圖像放大和光聚集共同存在。
在該實施例中，聚集菲涅耳透鏡31構成光學光聚集(聚光)裝置，微型透鏡陣列32構成光學散射裝置，以及放大菲涅耳透鏡34構成用于放大圖像的光學放大系統。
在聚集菲涅耳透鏡31和放大菲涅耳透鏡34被看成是構成一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡13的投射眼和觀察者的觀察點301、302相對于主點成共軛關系。
(第四個實施例)圖10是示出了根據本發明的第四個實施例的虛像顯示設備S4的示意圖，其中，用于聚集光的菲涅耳透鏡31從在圖9中顯示的設備的透鏡組30去除。
即，該實施例的設備S4包括每個具有光源12和投射透鏡13的光學投射系統10和20、微型透鏡陣列32、放大菲涅耳透鏡34和半反射鏡200。
微型透鏡陣列32設置在圖像聚焦位置，該對光學投射系統10、20的圖像將形成在該圖像聚焦位置處，以及微型透鏡陣列32起屏幕的作用。放大菲涅耳透鏡34設置在這樣一個位置，其離開微型透鏡陣列32，且更鄰近觀察者，以便在微型透鏡陣列32上形成的圖像在遠處放大和顯示。
此外，放大菲涅耳透鏡34具有聚集來自光學投射系統10、20的光線的功能，且設置在這樣一個位置，即，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302相對于放大裝置34的主點成共軛關系。
在該實施例中，微型透鏡陣列32構成光學散射裝置，放大菲涅耳透鏡34構成用于放大圖像的光學放大系統。
(第五個實施例)圖11是示出了根據本發明的第五個實施例的虛像顯示設備S5的示意圖。
該虛像顯示設備S5包括具有光源12、顯示裝置11和投射透鏡13的單套光學投射系統10；具有液晶光閥51和偏振分束鏡52的光學圖像分離器50；用于將光線引導到透鏡組30的反射鏡組60；具有聚集菲涅耳透鏡31和微型透鏡陣列32的圖像位置光學系統30(透鏡組)；以及用于反射光線的半反射鏡200。
液晶光閥51是扭曲向列結構，其中，液晶扭曲90度。依賴于電場的開關，其從垂直定向的狀態切換到扭曲的狀態，反之亦然。
偏振板(沒有顯示)設置在液晶光閥51的入射側，使得在液晶在垂直定向的狀態下的情況下，通過光閥51的光線將在偏振板相同的方向上偏振，而在液晶在扭曲的狀態下的情況下，光線將在偏振板的方向旋轉90度的方向上偏振。這樣，通過光閥51的光線的偏振方向依賴于電場的開或者關狀態可以改變90度。
設置在光閥51的背側處的偏振分束鏡52是光學裝置，其依賴于其偏振方向反射或者透射光線。例如，在S偏振的情況下，其反射光線，在P偏振的情況下，其透射光線。
由偏振分束鏡52反射的光線和通過偏振分束鏡52透射的光線分別由反射鏡組60引導，且在光學投射系統10的顯示裝置11上的圖像將投射到且形成在透鏡組30上。
即使在該實施例中，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302也處于共軛關系，所有光線可以聚集在觀察點301、302，從而顯示圖像可以更亮。
在該實施例中，顯示裝置11以分時的方式工作，以交替顯示右眼和左眼的各圖像。液晶光閥51也以分時的方式工作，其與顯示裝置11的操作同步。
例如，右眼圖像的光線以S偏振的形式投射到偏振分束鏡52，然后光線由偏振分束鏡52反射。另一方面，左眼圖像的光線以P偏振的形式投射到偏振分束鏡52，然后光線透射通過偏振分束鏡52。
在半反射鏡200處的反射系數不同于光線偏振的方向。因此，需要使光線到達半反射鏡200，使得光線的S偏振分量和P偏振分量相互相等。
在上面說明的實施例中，由于右眼和左眼的圖像可以由單套光學投射系統分別投射，所以可以實現設備的光學系統的小型化和成本降低。
在該實施例中，聚集菲涅耳透鏡31構成光學光聚集(聚光)裝置，微型透鏡陣列32構成光學散射裝置，以及具有液晶光閥51和偏振分束鏡52的光學圖像分離器50構成圖像分離裝置。
根據上述的實施例，來自單個光學投射系統10的圖像可以由光學圖像分離器50分開成兩個圖像。因此，可以以設置兩個光學投射系統的其它實施例相同的方式分別顯示對于觀察者的右眼和左眼的圖像。
在該實施例中，當移動要由光學分束鏡50分開的各圖像時，可以改變虛像的可視距離，即，可視位置330。
更確切的，以分時方式交替地形成在顯示裝置11上的顯示圖像，即，對于右眼的圖像和對于左眼的圖像分別移動。結果，沒有必要物理移動光學裝置，從而防止光學系統變得更大。
(第五個實施例的修改)在上面的圖11的實施例中，放大菲涅耳透鏡34也可以在這樣一個位置增加，其從透鏡組30(包括聚集透鏡31和微型透鏡陣列32)分離，且更鄰近觀察者，使得從光學投射系統10、20投射且形成在透鏡組30上的圖像在遠處被放大和顯示。
在這樣的修改中，在聚集菲涅耳透鏡31和放大菲涅耳透鏡34被看成是構成一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302設置為相對于主點成共軛關系。
(第五個實施例的進一步修改)透鏡組30的聚集菲涅耳透鏡31可以從第五個實施例的虛像顯示設備S5去除，如第四個實施例一樣。
在這樣的情況下，虛像顯示設備S5包括具有光源12、顯示裝置11和投射透鏡13的單套光學投射系統10；光學圖像分離器50；反射鏡組60；微型透鏡陣列32；具有聚集光的功能和放大圖像的功能的放大菲涅耳透鏡34；以及半反射鏡200。
即使在透鏡組30的聚集菲涅耳透鏡31被去除的情況下，用于折射光線的棱鏡片33也可以設置到微型透鏡陣列32作為光學散射裝置，如在上面的第二個實施例中說明的。
(第六個實施例)圖12是根據本發明的第六個實施例的虛像顯示設備S6的示意圖，其中，通過使用具有較大的投射眼的投射透鏡來從設備去除微型透鏡陣列(光學散射裝置)。
在圖12中顯示的虛像顯示設備S6包括一對光學投射系統10、20，每個具有光源12、顯示裝置11和投射透鏡13；用于反射和透射來自光學投射系統10、20的光線的半反射鏡70；設置在一個位置處的聚集菲涅耳透鏡31，在該位置處，顯示裝置11的圖像由投射透鏡13形成；以及用于反射光線的半反射鏡200。
在該實施例中，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302相對于聚集菲涅耳透鏡31成共軛關系。
投射透鏡13的出射光瞳的直徑形成為比通過聚集菲涅耳透鏡31在觀察點301、302處的圖像的尺寸(瞳孔的直徑)要大。因此，來自投射透鏡13的光通量的直徑可以變得足夠大，以防止在沒有微型透鏡陣列32的情況下的圖像間斷，因為覆蓋整個圖像的光線可以到達觀察者的觀察點301、302。
當其具有更大的出射光瞳時，投射透鏡13的透鏡直徑通常變得更大。投射透鏡13的出射光瞳和觀察點處于共軛關系是必須的。在該對投射透鏡13平行設置的情況下，如在圖1中顯示的第一個實施例，其中，投射透鏡的直徑較大，然后出射光瞳之間的距離變得太大，以致不能保持共軛關系。即，在不引起相互干擾的情況下，該對投射透鏡13幾乎不能平行設置。
在上面的第一到第五實施例中，投射透鏡13的出射光瞳的直徑形成為比通過聚集菲涅耳透鏡31在觀察點301、302處的圖像的尺寸(瞳孔的直徑)要小。因此，即使在該對該對投射透鏡13平行設置的情況下，該對投射透鏡13之間的距離可以保持在合適的量。
由于上述原因，光學投射系統10、20設置在半反射鏡70的相對側上，如圖12所示，以便來自一個光學投射系統的光線由半反射鏡70反射，而來自其它光學投射系統的光線通過半反射鏡70透射。
即，該對投射透鏡13的出射光瞳通過半反射鏡70的組合來組合，以便出射光瞳和觀察點顯然保持在共軛位置。結果，微型透鏡陣列32變得沒有必要，以實現設備的成本降低。
在該實施例中，聚集菲涅耳透鏡31構成光學光聚集(聚光)裝置，且半反射鏡70的組合構成光學組合裝置。
根據上面的實施例，投射透鏡13的出射光瞳的直徑形成為比通過聚集菲涅耳透鏡31在觀察點301、302處的圖像的尺寸(瞳孔的直徑)要大。因此，在沒有微型透鏡陣列(光學散射裝置)32的情況下，在焦點處的光通量的直徑可以變得更大。
因此，即使當有透鏡像差時，也可以防止圖像的間斷，可以抑制能見度的降低。此外，沒有必要追蹤觀察點的移動。
由于半反射鏡70的組合在該實施例中設置為組合來自該對光學投射系統10、20的圖像，所以即使當光學投射系統10、20的投射透鏡13制得更大時，投射透鏡13也可以設置在優化的位置而不引起干涉。結果，可以防止設備的光學系統尺寸變得更大。
(第六個實施例的修改)在該實施例中，如在第三個實施例中一樣，放大菲涅耳透鏡34可以設置在這樣一個位置，其從聚集透鏡31分離，且更鄰近觀察者，使得從光學投射系統10、20投射且形成在聚集透鏡31上的圖像在遠處被放大和顯示。
在這樣的修改中，在聚集菲涅耳透鏡31和放大菲涅耳透鏡34被看成是構成一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302設置為相對于主點成共軛關系。
(第六個實施例的進一步修改)聚集菲涅耳透鏡31可以從第六個實施例的虛像顯示設備S6去除，如第四個實施例一樣。
在這樣的情況下，替代聚集菲涅耳透鏡31，放大菲涅耳透鏡34將設置在更鄰近觀察者(更鄰近半反射鏡200)的位置上，如第四個實施例一樣。
因此，虛像顯示設備S6包括該對光學投射系統10、20，每個具有光源12、顯示裝置11和投射透鏡13；半反射鏡的組合70；設置在除了用于光學投射系統10、20的圖像位置以外的位置處，且具有聚集光的功能和放大圖像的功能的放大菲涅耳透鏡34；以及半反射鏡200。
(第七個實施例)圖13是根據本發明的第七個實施例的虛像顯示設備S7的示意圖，其中，光學系統形成有固定的焦點，而不使用視差。
在圖13中顯示的虛像顯示設備S7包括具有光源12、顯示裝置11和投射透鏡13的單套光學投射系統10；具有聚集菲涅耳透鏡31和微型透鏡陣列32的透鏡組30；以及半反射鏡200。
透鏡組30設置在這樣的位置，即，顯示裝置11的圖像通過投射透鏡13在該位置處形成。投射透鏡13的顯示的圖像由半反射鏡200反射，以便虛像330可以由觀察者(觀察點301、302)在半反射鏡200的背側處識別。
在該實施例中，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302相對于聚集菲涅耳透鏡31成共軛關系。光束由微型透鏡陣列32散射，以便光束在覆蓋右眼和左眼301、302的整個可視區域中散射。
在該實施例中，透鏡組30包括用于形成圖像的光學裝置(圖像位置光學系統)，以及微型透鏡陣列32構成光學散射裝置。
在該設備S7中，由于圖像位置光學系統(透鏡組)30具有光學裝置(菲涅耳透鏡31)，如在第一個實施例中一樣，以便投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302成共軛關系，通過投射透鏡13的出射光瞳的所有光束可以在觀察者的觀察點處聚集，從而顯示圖像可以變得更亮。
在該實施例中，由于微型透鏡陣列(光學散射裝置)32設置為將光線散射到整個可視區域，所以在不制造投射透鏡13的出射光瞳的情況下，在焦點處是光通量的直徑可以變得更大。
因此，即使當有透鏡像差時，也可以防止圖像的間斷，然后可以抑制能見度的降低。此外，沒有必要追蹤觀察點的移動。
如上所述，根據該實施例，光學裝置以更簡單的結構來制得更小，同時可以獲得高質量的圖像。此外，由于光聚集性能為高，盡管可視距離固定，但是可以獲得更亮的虛像顯示設備。
(第七個實施例的修改)在該實施例中，如在第三個實施例中一樣，放大菲涅耳透鏡34可以設置在這樣一個位置，其從透鏡組30(包括聚集透鏡31和微型透鏡陣列32)分離，且更鄰近觀察者，使得從光學投射系統10投射且形成在透鏡組30上的圖像在遠處被放大和顯示。
在這樣的修改中，在聚集菲涅耳透鏡31和放大菲涅耳透鏡34被看成是構成一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302設置為相對于主點成共軛關系。
聚集菲涅耳透鏡31可以從第七個實施例的虛像顯示設備S7去除，如第四個實施例一樣。
在這樣的情況下，虛像顯示設備S7包括具有光源12、顯示裝置11和投射透鏡13的單套光學投射系統10；微型透鏡陣列32；具有聚集光的功能和放大圖像的功能的放大菲涅耳透鏡34；以及半反射鏡200。
(其它修改)當微型透鏡陣列32用作光學散射裝置時，微型透鏡陣列32在垂直方向上的曲率最好制得比在水平方向上的曲率要小，如在第一個實施例中一樣。這也可以應用到除了第一個實施例以外的其它實施例。
在這些實施例中的光學散射裝置不應該限于微型透鏡陣列。例如，可以使用用于在水平方向上散射光束的雙凸透鏡和用于在垂直方向上散射光束的雙凸透鏡的層壓主體。
此外，這樣的單個透鏡可以用作光學散射裝置，其中，用于在水平方向上散射光束的雙凸透鏡形成在前面，而用于在垂直方向上散射光束的雙凸透鏡形成在其背面。
即使在雙凸透鏡(或者多個透鏡)用作光學散射裝置的情況下，用于在垂直方向上散射光束的透鏡的曲率最好制得比在水平方向上的曲率小。通過該結構，變得幾乎不需要追蹤觀察眼在垂直方向上的移動，如在使用微型透鏡陣列的情況下。
在上述實施例中說明的，通過折射光路，棱鏡片33可以用于獲得更小尺寸的設備，其中，光束的出射角設置為比從光學投射系統10、20的入射角要小。這應用到所有上述實施例。
用于折射光路的透鏡不應該限制于上述實施例中的棱鏡片33。例如，可以使用偏軸類型的菲涅耳透鏡。在這樣的情況下，光束的出射角也設置為比從光學投射系統10、20的入射角要小。
在圖7中所示的修改的實施例中，反射鏡42設置在從光源到半反射鏡200的通路中，以折射光路，以便可以實現更小尺寸的設備。這應用到所有其它實施例。
此外，在圖7中顯示的修改的實施例中，設置有用于檢測觀察點301、302位置的相機40，以及用于將光線引導到觀察點的馬達和反射鏡42，使得可以正確地執行追蹤觀察點在水平方向上的移動。
上述的用于檢測觀察點的位置的追蹤裝置也可以用于其它實施例。
反射鏡42可以設置在光學投射系統10、20和透鏡組30之間的位置，或者在圖11中顯示的實施例情況下設置在反射鏡組60和透鏡組30之間的位置。在圖12中顯示的實施例中，半反射鏡70的組合本身可以旋轉。
用于引導光線的裝置不應該限制于在上述實施例中的旋轉反射鏡42。
例如，設置在從光學投射系統10、20的圖像位置處的光學裝置，或者用于放大來自光學投射系統10、20的圖像的光學裝置可以以滑動的方式移動。光學投射系統10、20可以可滑動地移動。
在圖7中所示的修改的實施例中，在顯示裝置11上的圖像提前變形，以便補償虛像，以獲得在好的條件下的圖像(沒有變形)。
這也可以應用到其它實施例。
用于折射光線的棱鏡片33不僅可以設置到在圖8的實施例中的虛像顯示設備，而且可以設置在其它實施例中的虛像顯示設備。通過該結構，該設備的光學系統可以制得更小。
用于放大由光學投射系統形成的圖像的光學放大裝置(放大菲涅耳透鏡)34不僅可以設置在第三和第四實施例中，而且可以設置在其它實施例中，以便虛像310、320的圖像形成長度可以變得更長，以改進能見度。
換句話說，放大裝置可以設置在這樣的位置，其從透鏡組30(聚集透鏡31和/或微型透鏡陣列32)分離，且更鄰近觀察者，使得從光學投射系統(10、20)投射且形成在透鏡組30上的圖像在遠處被放大和顯示。
根據本發明的虛像顯示設備，可以防止光學系統尺寸變得更大，因為觀察點和可以由觀察者識別虛像的可視點之間的可視距離可以通過移動在光學投射系統10、20的顯示裝置11上的顯示的圖像來改變。即，根據這樣的結構，光學系統可以不物理移動。
在上述的任何實施例中，投射透鏡13的出射光瞳和觀察者的觀察點301、302相對于主點成共軛關系。結果，通過投射透鏡13的出射光瞳的所有光線可以聚集在觀察者的觀察點，從而顯示圖像可以更亮。
此外，根據其中設置光學散射裝置(微型透鏡陣列)32的這些實施例，光通量的直徑可以變大到這樣的程度，即，在不使投射透鏡13的出射光瞳更大的情況下，到觀察點之一的光線不能到達其它觀察點。
因此，即使當透鏡有像差時，也可以防止圖像的間斷，然后可以抑制能見度的降低。此外，沒有必要追蹤觀察點的移動。
如上所述，根據本發明，通過更簡單的結構可以使光學系統更小，同時可以獲得高質量的圖像。
權利要求
1.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)，該對光學投射系統(10、20)投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；以及設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30)，在該圖像聚焦位置處，形成來自該對光學投射系統(10、20)的各個圖像，其中，該圖像位置光學系統(30)包括用于在投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)之間形成共軛關系的光學裝置(31)；以及用于散射光線到這樣的程度的光學散射裝置(32)，即，到觀察點之一(301)的光線不能到達其它觀察點(302)。
2.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)，該對光學投射系統(10、20)投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30)，在該圖像聚焦位置處，形成來自該對光學投射系統(10、20)的各個圖像；以及用于放大由該對光學投射系統(10、20)形成的圖像的光學放大裝置(34)；其中，該圖像位置光學系統(30)包括用于聚集光線的光學聚集裝置(31)；以及用于散射光線到這樣的程度的光學散射裝置(32)，即，到觀察點之一(301)的光線不能到達其它觀察點(302)，以及在光學聚集裝置(31)和光學散射裝置(32)被看成是一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于主點處于共軛關系。
3.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)，該對光學投射系統(10、20)投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；設置在形成來自該對光學投射系統(10、20)的各個圖像的圖像聚焦位置處，以及用于散射光線到這樣的程度，即，到觀察點之一(301)的光線不能到達其它觀察點(302)的光學散射裝置(32)，以及用于放大由該對光學投射系統(10、20)形成的圖像的光學放大裝置(34)；其中，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于光學放大裝置(34)的主點處于共軛關系。
4.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括光學投射系統(10)，其具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)；用于將來自光學投射系統(10)的圖像分開成兩個圖像的光學圖像分離器(50)；以及設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30)，在該圖像聚焦位置處，形成由光學圖像分離器(50)分開的各個圖像，其中，該圖像位置光學系統(30)包括用于在投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)之間形成共軛關系的光學裝置(31)；以及用于散射光線到這樣的程度的光學散射裝置(32)，即，到觀察點之一(301)的光線不能到達其它觀察點(302)。
5.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括光學投射系統(10)，其具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)；用于將來自光學投射系統(10)的圖像分開成兩個圖像的光學圖像分離器(50)；設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30)，在該圖像聚焦位置處，形成由光學圖像分離器(50)分開的各個圖像；以及用于放大由光學圖像分離器(50)分開的各圖像形成的圖像的光學放大裝置(34)，其中，該圖像位置光學系統(30)包括用于聚集光線的光學聚集裝置(31)；以及用于散射光線到這樣的程度的光學散射裝置(32)，即，到觀察點之一(301)的光線不能到達其它觀察點(302)，以及在光學聚集裝置(31)和光學放大裝置(34)被看成是一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于主點處于共軛關系。
6.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括光學投射系統(10)，其具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)；用于將來自光學投射系統(10)的圖像分開成兩個圖像的光學圖像分離器(50)；以及設置在形成由光學圖像分離器(50)分開的各個圖像的圖像聚焦位置處，以及用于散射光線到這樣的程度，即，到觀察點之一(301)的光線不能到達其它觀察點(302)的光學散射裝置(32)；用于放大由光學圖像分離器(50)分開的各圖像形成的圖像的光學放大裝置(34)，其中，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于光學放大系統(34)的主點處于共軛關系。
7.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)，該對光學投射系統(10、20)投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；用于組合來自該對光學投射系統(10、20)的圖像的光學組合系統(70)；以及設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30、31)，在該圖像聚焦位置處，形成來自該對光學投射系統(10、20)的各個圖像；其中，圖像位置光學系統(30、31)在投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)之間形成共軛關系，以及投射透鏡(13)的出射光瞳的直徑比在觀察點(301、302)處由圖像位置光學系統(30、31)形成的圖像的尺寸要大。
8.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)，該對光學投射系統(10、20)投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；用于組合來自該對光學投射系統(10、20)的圖像的光學組合系統(70)；設置在圖像聚焦位置處的光學聚集裝置(31)，在該圖像聚焦位置處，形成來自該對光學投射系統(10、20)的各個圖像；以及用于放大由來自該對光學投射系統(10、20)的各圖像形成的圖像的光學放大系統(34)；其中，在光學聚集裝置(31)和光學放大系統(34)被看成是一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于主點處于共軛關系，以及投射透鏡(13)的出射光瞳的直徑比在觀察點(301、302)處由光學聚集裝置(31)形成的圖像的尺寸要大。
9.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)，該對光學投射系統(10、20)投射相應于觀察者的右眼和左眼的各個圖像；用于組合來自該對光學投射系統(10、20)的圖像的光學組合系統(70)；以及設置在不同于形成來自該對光學投射系統(10、20)的各圖像的圖像聚焦位置的位置處，且用于放大由來自該對光學投射系統(10、20)的各圖像形成的圖像的光學放大裝置(34)；其中，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于光學放大裝置(34)的主點處于共軛關系，以及投射透鏡(13)的出射光瞳的直徑比在觀察點(301、302)處由光學聚集裝置(31)形成的圖像的尺寸要大。
10.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括單套光學投射系統(10)，其具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)；以及設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30)，在該圖像聚焦位置處，形成來自該光學投射系統(10)的圖像，其中，該圖像位置光學系統(30)包括用于在投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)之間形成共軛關系的光學裝置(31)；以及用于散射光線到所有可視區域的光學散射裝置(32)。
11.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括單套光學投射系統(10)，其具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)；設置在圖像聚焦位置處的圖像位置光學系統(30)，在該圖像聚焦位置處，形成來自該光學投射系統(10)的圖像；以及用于放大由光學投射系統(10)形成的圖像的光學放大裝置(34)，其中，該圖像位置光學系統(30)包括光學聚集裝置(31)和用于散射光線到所有可視區域的光學散射裝置(32)；以及在光學聚集裝置(31)和光學放大裝置(34)被看成是一個統一的光學系統的情況下，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于主點處于共軛關系。
12.一種虛像顯示設備，其包括用于投射圖像信息的光學單元(100)；以及用于反射來自光學單元(100)的圖像信息的半透明反射裝置(200)，以便圖像信息可以在其觀察點處由觀察者識別為虛像，其中，該圖像信息在遠處重疊，其中，該光學單元(100)包括單套光學投射系統(10)，其具有用于在其上顯示圖像的顯示裝置(11)，用于照亮顯示裝置(11)的光源(12)，以及用于投射顯示裝置(11)的圖像的投射透鏡(13)；設置在形成來自光學投射系統(10)的圖像的圖像聚焦位置處，以及用于散射光線到所有可視區域的光學散射裝置(32)；以及用于放大由光學投射系統(10)形成的圖像的光學放大裝置(34)，其中，投射透鏡(13)的出射光瞳和觀察者的觀察點(301、302)相對于光學放大裝置(34)的主點處于共軛關系。
13.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，還包括用于在從光學投射系統到半透明反射裝置(200)的光路中折射光線的光學裝置(33)。
14.根據權利要求1到6和10到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，光學散射裝置(32)包括微型透鏡陣列。
15.根據權利要求1到6和10到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，該光學散射裝置(32)包括微型透鏡陣列，以及其在垂直方向上的曲率比在水平方向上的曲率要小。
16.根據權利要求1到6和10到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，該光學散射裝置(32)包括用于在水平方向上散射光線的雙凸透鏡和用于在垂直方向上散射光線的雙凸透鏡的層壓的主體。
17.根據權利要求16所述的虛像顯示設備，其特征在于，用于在垂直方向上散射光線的雙凸透鏡的曲率小于用于在水平方向上散射光線的雙凸透鏡的曲率。
18.根據權利要求1到6和10到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，該光學散射裝置(32)包括形成在前面上用于在水平方向上散射光線的雙凸透鏡；以及形成在后面上用于在垂直方向上散射光線的雙凸透鏡。
19.根據權利要求18所述的虛像顯示設備，其特征在于，用于在垂直方向上散射光線的雙凸透鏡的曲率小于用于在水平方向上散射光線的雙凸透鏡的曲率。
20.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，還包括用于在從光學投射系統到半透明反射裝置(200)的通路中折射光線的棱鏡片的光學裝置(33)。
21.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，還包括用于在從光學投射系統到半透明反射裝置(200)的通路中折射光線的偏軸類型的菲涅耳透鏡的光學裝置(33)。
22.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，還包括用于在從光學投射系統到半透明反射裝置(200)的通路中折射光線的光學裝置(33)，其中，來自光學投射系統(10、20)的光線的入射角比折射的光線的出射角大。
23.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，還包括用于在從光學投射系統(10、20)到半透明反射裝置(200)的通路中折射光線的反射鏡(42)。
24.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，還包括用于檢測觀察點(301、302)的位置的相機(40)；以及根據檢測的位置來引導光線的引導裝置(42、44)，以便光線到達觀察點。
25.根據權利要求24所述的虛像顯示設備，其特征在于，該引導裝置包括反射鏡(42)，其旋轉來引導光線。
26.根據權利要求24所述的虛像顯示設備，其特征在于，該引導裝置以滑動方式移動下面的部件中的至少一個，這些部件為光學投射系統(10、20)；圖像位置光學系統(30)；光聚集裝置(31)；光學散射裝置(32)；以及光學放大裝置(34)。
27.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，顯示裝置(11)的圖像提前變形，以便可以在沒有變形的情況下獲得從光學投射系統(10、20)投射的圖像。
28.根據權利要求1到12中的任何一項所述的虛像顯示設備，其特征在于，顯示裝置(11)的圖像提前變形，以便可以在沒有變形的情況下獲得在半透明反射裝置(200)上的虛像。
全文摘要
一種虛像顯示設備包括一對光學投射系統(10、20)，每個具有顯示裝置(11)、光源(12)，以及投射透鏡(13)。形成在顯示裝置(11)上的圖像投射到圖像位置光學系統(30)，其包括光學聚集透鏡(31)和光學散射裝置(32)。來自光學投射系統(10、20)的光線在半透明反射裝置(200)處反射，以便光線分別在觀察者的右眼和左眼(301、302)處聚集。結果，圖像可以由人們識別為遠處的虛像。由于光學散射裝置(32)以這樣的方式散射光線，即，到達觀察眼之一的光線不能到達其它觀察眼，以便各光線的圖像信息可以由觀察者識別，而不引起串擾。
文檔編號G02B27/22GK1584662SQ20041005759
公開日2005年2月23日 申請日期2004年8月23日 優先權日2003年8月22日
發明者藤川卓之, 安藤浩 申請人:株式會社電裝