显示装置的制作方法
专利名称：显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使观看者能够观看到利用实镜像成像光学系统形成在空中的被观看对象的实像的显示装置。
背景技术：
已经提出了一种显示装置，其中观看者能够看到被观看对象的实像，S卩，通过利用实镜像成像光学系统形成在空中的实镜像(见专利文献I)。所述显示装置包括在与观看者相反的空间中布置的被观看对象以及用于在观看者所在的空间中形成被观看对象的实像的实镜像成像光学系统。对象的实像形成在关于实镜像成像光学系统的对称面(元件表面)与对象对称的位置处。[专利文献]专利文献I :W02007/116639
发明内容
本发明要解决的问题然而，在专利文献I中公开的方法应用到显示装置的情况下，要求被观看对象必须布置得远离实镜像成像光学系统，以形成远离所述实镜像成像光学系统的漂浮像。因此，在观看者一侧和关于实镜像成像光学系统的另一侧需要大空间，因为被观看对象的实像形成在关于实镜像成像光学系统的对称面与所述对象对称的对称位置处。在专利文献I的方法中，由于被观看对象固定，因此所得漂浮像的位置和大小固定。因此，除了作为漂浮像之外，所得像并不令人赞叹。因此，本发明的一个目的是提供能够自由设置观看通过实镜像成像光学系统形成的像的观看位置(角)的显示装置。解决问题的手段本发明的显示装置的特征在于包括被观看对象；实镜像成像光学系统，所述实镜像成像光学系统包括半透射基板，所述半透射基板具有限定存在对象的物方空间和存在观看者的观看者方空间的对称平面，其中所述实镜像成像光学系统利用透过所述基板的光在所述观看者方空间中形成所述被观看对象的实像；以及至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置在所述物方空间中，以反射来自所述被观看对象的光束，从而将反射的光束引导至所述实镜像成像光学系统。提出本发明以减小关于实镜像成像光学系统与观看者方空间相反的必要空间。具体地讲，实现了一种本发明的显示装置，所述显示装置包括实镜像成像光学系统，所述实镜像成像光学系统用于在观看者方空间中形成被观看对象的实镜像；和用于实像的形成的对象，所述对象关于二面角反射器阵列布置在与观看者相反的空间中；以及另外还包括至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置在物方空间中，以反射来自所述被观看对象的光束，从而将反射光束引导至所述成像光学系统。
通过利用反射镜来反射从被观看对象提供的光束和将所述光束引导至实镜像成像光学系统中，本发明有利于增大被观看对象的布置的自由度，同时最小化物方空间。本发明可包括用于随时间流逝改变漂浮像的位置和/或大小的装置，从而产生被观看的非常令人赞叹的漂浮像，同时最小化装置中的物方空间。具体地说，将在预定屏幕上显示的画面用作被观看对象以改变漂浮像的位置和/或大小是有效的。在所述屏幕中随时间改变所述画面的大小是有效的。在所述屏幕中随时间改变所述画面的位置是有效的。所述画面随时间连续改变是有效的，或者所述画面可随时间非连续改变或随时间间歇性地改变。电子显示器的屏幕可用作所述屏幕。此外，在所述屏幕上三维显示所述画面是有效的，这是因为三维画面是令人赞叹的。在本发明中，实镜像成像光学系统被构造为使得能够从自对称面(基板)倾斜的观看位置观看对象的实像。实镜像成像光学系统的具体示例是具有二面角反射器阵列的实镜像成像光学系统。所述二面角反射器阵列由大量二维布置的二面角反射器构成，每个二面角反射器具有两个正交的镜面。与所有镜面正交的公共平面被定义为元件面，对象和实像关于所述元件面彼此对称。从对象发射的每一光束被每个二面角反射器的两个镜面各反射一次。每一反射光束随后透过二面角反射器阵列的元件面。结果，在关于所述二面角反射器阵列的元件面与对象对称的位置处形成所述对象的实像。为了通过每个二面角反射器使每一光束适当地弯曲，并允许光束透过元件面，沿孔贯穿元件面的方向限定的光学孔的内壁用作二面角反射器阵列的二面角反射器的各个镜面。这些二面角反射器被概念性地描述，并且不要求反映例如通过物理边界确定的形状。作为示例，所述光学孔可以是不分离的，而是可以彼此结合。简而言之，二面角反射器阵列由大量基本垂直于元件面并布置在元件面上的镜面构成。在结构方面需要考虑的是镜面怎样固定地支撑在元件面上。作为形成镜面的示例性具体方式，提供用于限定预定空间的基板，从而具有作为元件面的其中布置二面角反射器阵列的平面，并且每个光学孔的内壁用作每个二面角反射器的镜面，其中光学孔贯穿所述元件面。形成在基板中的孔仅要求是透明的，以允许各光束透过那里。举例而言，所述孔可以是真空的。作为另外一种选择，所述孔可填充有透明气体或透明液体。每个孔的形状可任意确定，只要所述孔的每个在其内壁上具有用作单位光学元件的一个镜面，或不在同一平面内的两个或更多个这种镜面，并且允许通过镜面反射的每一光束透过对应的孔即可。孔可结合，或者由于孔的部分缺失，它们可具有复杂的结构。作为另一示例，不同的独立镜面在基板的表面上大量地竖立在一起。在这种情况下，应该理解为形成在基板中的孔彼此结
口 ο此外，二面角反射器可利用诸如透明玻璃或树脂这样的实心物质形成，以具有作为光学孔的棱柱或圆柱形状。在每个圆柱构件由实心物质中形成的这种情况下，所述圆柱构件可布置为彼此靠近以用作元件的支撑构件。另外，如果二面角反射器阵列具有基板，则圆柱构件可从基板的表面突出。圆柱构件的形状也可任意确定，只要每一个圆柱构件在其内壁上具有允许所述圆柱构件用作二面角反射器的一个镜面，或不在同一平面内的两个或更多个这种镜面，并且允许被镜面反射的每一光束透过那里即可。虽然被称作圆柱构件，但是它们可结合，或者由于它们的部分缺失，它们可具有复杂的结构。
应当考虑这样一种形状的光学孔，其中所有相邻的内壁面正交，如在立方体或直方体中那样。在这种情况下，相邻二面角反射器之间的间隙可被最小化，并且从而可实现高密度布置。优选地，通过除了面对被观看对象的二面角反射器的面之外的面防止反射。在二面角反射器具有多个内镜面的情况下，透过的光中的一部分可经历多次反射，即，透过所述孔的光束可发生几倍或更多倍于设想的反射次数的多次反射。关于这些多次反射的对策，如果两个彼此正交的镜面形成在光学孔的内壁上，则按以下方式防止这种多次反射。一种方式是，除了这两个镜面之外的面可被制为非镜面，以防止光束被该表面反射。另一种方式是，除了这两个镜面之外的面可相对于元件面倾斜使得其不与元件面正交，或者可弯曲。按照任何一种方式，都可减少或防止产生反射三次或更多次的多次反射光束。为了形成非镜面，可使用以下构造，其中目标面可涂有抗反射涂层或薄膜，并且作为另外一种选择，目标面的表面粗糙度可增大，以在目标面上引起漫反射。此外，透明平坦基板的存在不妨碍光学元件的功能，并且因此可使用任何合适的基板作为支撑构件和/或保护性构件。 为了提高投影实像的亮度水平，期望布置在元件面上的大量二面角反射器彼此尽可能靠近。作为示例，二面角反射器的格状布置是有效的。作为优点，这种布置使得显示装置容易制造。每个二面角反射器的镜面可为用于引起光束的反射的平面，并且其由诸如金属或树脂这样的光泽物质制成，而不管该物质是固体还是液体。二面角反射器的镜面也可如下其在不同折射率的透明介质之间的平坦边界界面上引起反射或全反射。在针对镜面使用全内反射的情况下，通过多个镜面的不期望的多次反射将很可能超出全内反射的临界角，因此，希望这些不期望的多次反射将自然地得到抑制。另外，镜面可仅形成在光学孔的内壁的有限部分上，或可由平行布置的多个单元镜面构成，只要每个镜面不出问题地发挥作用即可。关于后一个方面，换句话说，由多个单元镜面形成镜面意味着镜面可被划分为多个单元镜面。在这种情况下，单元镜面不一定需要存在于同一平面上，但是要平行。此外，单元镜面可彼此接触，或可彼此分离。可应用于本发明中作为实镜像成像光学系统的另一具体示例是包括后向反射器阵列和具有半透半反镜面(half mirror surface)的半透半反镜(half mirror)的光学系统，所述后向反射器阵列用于引起光束的后向反射，所述半透半反镜用于反射光束和使光束透过。在这种实镜像成像光学系统中，半透半反镜面用作对称面，并且后向反射器阵列布置在如下的位置，即，该位置可后向反射从被观看对象发射并且被半透半反镜反射或透过半透半反镜的光束。后向反射器阵列相对于半透半反镜仅布置在还存在被观看对象的同一空间中。后向反射器阵列的位置为使得被半透半反镜反射的光束被后向反射器阵列后向反射。这里，后向反射器的操作“后向反射”是这样一种现象，即，其中，每一反射光束被朝着原始位置向回反射(或逆反射)，因此入射光束和反射光束彼此平行并反向。大量后向反射器布置以构成后向反射器阵列。如果每个后向反射器的大小足够小，则入射光束的路径和反射光束的路径被认为是重合的。后向反射器阵列的多个后向反射器不需要在一个平面上，而是可在曲面上。此外，这些后向反射器不需要在同一平面上，而是可三维地分散。此夕卜，半透半反镜具有使光束透过和反射光束的两个功能。半透半反镜的透射率和反射率之比理想地为1:1。可利用由三个相邻的镜面构成的后向反射器(广义上，称作“角反射器”)。作为另外一种选择，可使用猫眼后向反射器作为后向反射器。作为示例，角反射器由三个彼此正交的镜面构成。作为另一示例，角反射器具有三个相邻的镜面，其中由所述镜面限定的角中的两个均为90度，另一个角为90/N(其中N是整数)度。作为另一示例，角反射器还为锐角后向反射器，其具有三个镜面，其中通过三个镜面限定的角分别为90度、60度和45度。如果使用包括前述后向反射器阵列和半透半反镜的实镜像成像光学系统，则从被观看对象发射的一些光束被半透半反镜面反射。然后，反射光总是被后向反射器阵列后向反射以向原始位置返回，然后透过半透半反镜面。结果，形成对象的像。因此，只要后向反射器阵列布置在允许接收来自半透半反镜的反射光束的位置，后向反射器阵列的形状和位置就不受限制。沿着与透过半透半反镜面的光束相反的方向观看由此形成的实像。当使用后向反射器阵列时，应当注意后向反射器阵列和被观看对象之间的位置关系。具体地说，有必要避免将后向反射器阵列布置在从被观看对象提供的光束朝反射镜行进的路径上。被观看对象的示例是诸如霓虹灯这样的固定显示的标志，或者固定显示在显示面板上的标志(诸如由光源和显示面板构成的应急灯)。被观看对象的另一示例是显示在诸如液晶显示器、CRT显示器和有机EL显示器这样的电子显示器的显示面上的图像或画面。被观看对象的另一示例是通过按直线布置诸如LED这样的小型光源并控制光发射的位置而给定的阵列光源。有益效果通过使用至少一个反射镜，从被观看对象提供的光束反向传播并被引导至实镜像成像光学系统。结果，增大了关于被观看对象的布置和位置的自由度。将实镜像成像光学系统夹在中间的与观看者相反的空间减小，以最小化显示装置的大小。
在以下结合附图的描述中解释了本发明的前述方面和其它特征，其中图I是示出当从观看者侧观看时的本发明实施方式的显示装置的示意性立体图；图2是示出当从侧面观看时的本实施方式的显示装置的主要部分的示意性横截面图；图3是示出怎样仅通过应用到实施方式的二面角反射器阵列成像的示意性立体图；图4A是示出应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列的结构的具体示例的示意性平面图；图4B是对应地示出应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列的结构的具体示例的示意性局部切除的立体图；图5是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列成像的示意性平面图；图6是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列成像的示意性侧视图；图7是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列与半透半反镜的组合成像的示意性平面图8是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列与半透半反镜的组合成像的示意性侧视图；图9是示出当从观看者侧观看时，光束怎样通过应用到根据本发明另一实施方式的实镜像成像光学系统的后向反射器阵列和这些后向反射器后向反射的示意性立体图；图10是示出光束怎样通过应用到根据本发明另一实施方式的实镜像成像光学系统的后向反射器阵列和这些后向反射器后向反射的示意性横截面侧视图；图IlA是示出应用到实镜像成像光学系统的后向反射器阵列的示意性局部平面图；图IlB是示出光束怎样被后向反射器阵列的示例性后向反射器后向反射的示意性放大局部平面图；图12A是示出应用到实镜像成像光学系统的另一后向反射器阵列的示意性局部平面图；图12B是示出光束怎样被后向反射器阵列的示例性后向反射器后向反射的示意性放大局部平面图；图13是示出怎样通过应用到另一实施方式的显示装置的二面角反射器阵列和两个反射镜的组合成像的示意性平面图。
具体实施例方式以下将在本文中通过参照附图描述根据本发明的实施方式的显示装置。图I和图2均是示出本发明适用以具有单个反射镜的显示器结构的解释性示图。显示装置I包括作为实镜像成像光学系统的二面角反射器阵列6 ;和被观看对象2，所述被观看对象2关于所述二面角反射器阵列6布置在与观看者V相反的空间中；以及反射镜4，所述反射镜4布置在对象所在的空间中。从被观看对象2提供的光束被反射镜4反射到二面角反射器阵列6，然后通过二面角反射器阵列6，从而在观看者V的视线上形成作为实镜像的漂浮像3。此外，反射镜4被设置为相对于二面角反射器阵列呈合适角度，以将光束引导至二面角反射器阵列6。也就是说，被观看对象2、反射镜4和二面角反射器阵列6按以下方式布置即，从被观看对象2发射的光束被反射镜4反射，然后被引导至二面角反射器阵列6。为了详细解释以上元件的关系，首先在结构和效果上对二面角反射器阵列的单个单元进行描述，然后在结构和效果上对将反射镜4加入到单个单元的组合进行描述。如图3、图4A和图4B中示意性地示出，二面角反射器阵列6由大量二面角反射器61构成，每个二面角反射器具有两个正交的镜面61a和61b。与每个二面角反射器61的两个镜面61a和61b基本正交的平面被定义为元件面6S。被观看对象2的实像3关于元件面6S形成在与被观看对象2呈平面对称的位置。在本实施方式中，二面角反射器61与二面角反射器阵列6的整体大小(厘米量级)相比相当小(微米量级)。在图3中，用灰色表示二面角反射器61的集合，并且用V字形状指示由镜面限定的2面角，以示出其内角的朝向，这样，在附图中夸大地示出了二面角反射器61。图4A是二面角反射器阵列6的示意性平面图，图4B是二面角反射器阵列6的一部分的立体图。在图4A和图4B中，与整个二面角反射器阵列6相比,二面角反射器61和镜面61a、61b被相当夸大地显示。
针对使每一光束弯曲并允许光束透过的二面角反射器阵列6，可使用以下光学元件，其中大量物理性和光学性的孔形成在平板状基板60的平面中，其方式是，孔沿着基板60的厚度方向竖直地贯穿基板60，其中每个孔的内壁面的两个正交的面形成为镜面61a和61b，以将每个孔的内壁面用作二面角反射器61。为了给基板60提供至少半透射性能，如图4A和图4所示，允许每一光束透过的俯视地看为大致矩形形状(例如，正方形)的大量物理性和光学性的孔(例如，孔的一边在50 μ m至200 μ m的范围内)形成在薄型平板状基板60中。然后，通过对每个孔的内壁面的正交和相邻的两个面进行平滑镜面抛光，从而形成镜面61a和61b。结果，提供了各自具有用作反射面的两个镜面61a和61b的二面角反射器61。优选地，不对孔的内壁面的不用于形成二面角反射器61的那些进行镜面抛光，从而它们将是非反射性的，或者以不能产生多次反射光束的角度形成它们。还优选地，二面角反射器61布置在规则布置的格点上，使得镜面61a和61b限定的内角在基板60上将全部布置在同一方向上。因此，每个二面角反射器61的两个正交 的镜面61a和61b的相交线CL优选地与元件面6S正交。以下，镜面61a、61b限定的内角的方向被称为二面角反射器61的朝向(方向)。镜面61a和61b的示例性形成过程如下。首先预备好金属模。然后，在内壁面上执行诸如纳米级切割处理、纳米压印处理(即利用模具的纳米级按压处理)或电铸这样的处理，使得内壁面像镜面61a和61b那样作用。加工如此形成的镜面61a和61b，使得它们的表面粗糙度等于或小于10nm，并且它们将在可见光谱范围内均匀地用作镜面。当通过电铸处理用诸如铝或镍这样的金属形成基板60时，如果模的表面粗糙度足够小，则镜面61a和61b自然成为镜面。当使用纳米压印处理将树脂等用作基板60的材料时，应当通过诸如溅射这样的处理执行镜面涂覆以形成镜面61a和61b。通过将相邻的二面角反射器61之间的间隔控制到其最小可能水平，能够提高光的透射率。优选地，二面角反射器阵列6的上表面(从观看者侧观看到的表面)经过诸如利用低反射率材料涂覆的处理。二面角反射器阵列6的结构不限于以上描述的那些。可适当地采用二面角反射器阵列6的结构和形成二面角反射器阵列6的方法，只要大量二面角反射器61每个均由两个正交的镜面61a和61b形成即可，并且二面角反射器61每个均用作允许每一光束透过的光学孔。在构成二面角反射器阵列6的每个二面角反射器61中，经后侧进入对应孔的光束被一个镜面61a (或61b)反射。反射的光束被另一镜面61b (或61a)进一步反射，然后经前侧通过二面角反射器61。每一光束入射到二面角反射器61的路径以及该光束从二面角反射器61射出的路径关于元件面6S彼此平面对称。具体地，假设元件面6S是穿过每个镜面高度的中央部分并与每个镜面正交的面，则元件面6S是对称面，被观看对象2的形成为漂浮像的实像(即实镜像3)的位置关于所述对称面与被观看对象2平面对称。以下结合从作为被观看对象的点光源(O)发射的每一光束的路径简要描述怎样通过二面角反射器阵列6形成像。根据图5的平面图和图6的侧视图中示意性示出，当从点光源(O)发射的光束(当在图5中以三维方式观看时，通过在附图上从后朝前行进的带箭头的单点划线指示)经过二面角反射器阵列6时，每一光束被一个镜面61a (或61b)反射一次，然后被每个二面角反射器61的另一镜面61b (或61a)再次反射。接着，反射的光束通过元件面(图6中的6S)，然后分散地经过关于二面角反射器阵列6的元件面6S与点光源(ο)呈平面对称的一点。在图5中，入射光束和反射光束被不为平行。原因如下。在图5中,相对于点光源(ο), 二面角反射器61被显示得夸大。但是，二面角反射器61的实际大小相当小。因此，当从上面观看二面角反射器阵列6时，入射光束和反射光束几乎彼此重叠。概括地说，光束会聚到关于元件面6S与点光源(ο)呈平面对称的位置，从而在位置(P)形成实像，如图5和图6所示。分别对应于图5和图6的图7和图8解释了通过将反射镜4添加到观看者所在的空间中实现的操作。虽然图5示出了先落在每个二面角反射器61的两个镜面(61a、61b)二者上的光束的光路(即，示出了两个光路)，但是在图7中，仅示出了先落在镜面之一上的一条光束，以避免混乱。基本概念如下。如图7和图8中所不,从点光源(ο)发射的每一光束首先通过在朝二面角反射器61行进的光束的路径上布置的平面镜形式的反射镜4折返，以入射到二面角反射器61。然后，作为结果，二面角反射器阵列6在位置(P)形成实像。换句话说，在图8中，点光源(ο)的位置和其虚像(oa)的位置关于反射镜4彼此呈平面对称，此外，虚像(oa)的位置和对象的实镜像(P)的位置关于元件面6S彼此呈平面对称。在相对于反射镜4看到二面角反射器阵列6的情况下，点光源(ο)的位置按照对象(对应于图
7和图8中的光源)和其虚像的关系定位。在图I中，将反射镜4增加到图3的二面角反射器阵列的组合被示出为本实施方式，显示了二面角反射器阵列6、反射镜4和被观看对象2的关系。从以上描述可看出，在反射镜4和观看者V之间的空间中形成实镜像3，所述实镜像3在观看者V的视线中漂浮在空中。如上所述，本发明提供了一种能够显示位于观看者V的视线中的在空中的漂浮实镜像3的小型装置。也就是说，由于像呈现在原本没有东西存在的空中，因此该像可有利于吸引观看者的注意。除了实体之外，通过显示装置显示的画面可用作被观看对象2。除此之夕卜，如果诸如液晶显示装置这样的电子显示装置用作被观看对象2，则将由观看者观看的实镜像3可随时间流逝而改变。因此，显示在屏幕上的被观看对象的画面可用于引起观看者的注意。例如，被观看画面的位置或大小的改变能够增加实镜像3的变化。随时间流逝的被观看画面的这些位置或大小的改变可以是连续或非连续的。图9和图10是各自示出适用本发明的另一实施方式的显示装置的主要部分的示意性横截面侧视图。显示装置Ia与上述实施方式的显示装置I的不同之处仅涉及实镜像成像光学系统。因此，认为与显示装置I的相同的名称和标号的元件已被说明。通过将半透半反镜91和后向反射器阵列92组合可形成适于本实施方式的实镜像成像光学系统9。对称平面的元件面6S是镜面。被观看对象2布置在关于半透半反镜91与观看者V相反的空间中。反射镜4和后向反射器阵列92也布置在与观看者V相反的空间中。布置在被观看对象2的下方的后向反射器阵列92具有使来自半透半反镜91的每一光束后向反射的功能。因此，从被观看对象2发射的每一光束被反射镜4反射以朝半透半反镜91行进。被半透半反镜91反射的光束被引导至后向反射器阵列92。由于后向反射器阵列92具有后向反射从半透半反镜91提供的光束的功能，因此，引导至后向反射器阵列92的光束返回到半透半反镜91。在透过半透半反镜91之后，在观看者V的视线内的空间中形成实像3。反射镜4的角被合适地设置，使得来自半透半反镜91的每一光束可朝着观看者V引导。S卩，被观看对象2、反射镜4和后向反射器阵列92按以下方式布置来自被观看对象2的每一光束被反射镜4反射到半透半反镜91，接着被半透半反镜91反射的光束被引导至后向反射器阵列92，接着被后向反射器阵列92后向反射的光束返回到半透半反镜91，然后导致部分透过那里并且朝着观看者行进。如所述，该实施方式可将与图I所示的像相同的像提供给观看者。半透半反镜91也可如下制成，即，在由例如透明树脂或玻璃制成的透明薄板的一个表面上覆盖薄反射膜。透明薄板的另一相反表面受到防反射处理(即，AR涂覆)，从而防止看到的实像3变为重像。此外，可将诸如可见度控制膜或视角控制膜这样的功能光学膜(未示出)附到半透半反镜91的上表面上作为视线控制装置，其中可见度控制膜仅扩散沿特定方向的光束，视角控制膜仅截断沿特定方向的光束，但是它们二者均允许沿其它特定方向的光透射。具体地说，这种光学膜防止直接透过半透半反镜91之后的光束到达观看者V的观看位置之外的地方，从而，通过半透半反镜91，从除观看者V的观看位置之外的任何位置，不能直接看到在反射镜4中反射的被观看对象的像。但是，光学膜还允许仅在被半透半反镜91暂时反射并被后向反射器阵列92后向反射之后的沿着从后向反射器阵列92透
过半透半反镜91的方向行进的光束透过，如以下描述，从而从观看者V的观看位置可仅看见实像3。但是，后向反射器阵列92可为任何类型的，只要其严格使入射光束后向反射即可。可通过将后向反射材料或后向反射涂层施加到材料表面上形成后向反射器阵列92。此夕卜，后向反射器阵列92可具有曲面或平面。图IlA是以放大方式示出后向反射器阵列92的一部分的正视图。图IlA中所示的后向反射器阵列92是作为隅角棱镜的集合的隅角棱镜阵列，每个隅角棱镜利用立方体的一个内角。每个后向反射器92A通过将相同形状和相同大小的等腰直角三角形形状的三个镜面92Aa、92Ab和92Ac在公共点聚集结合而形成，当从前面看时呈现出等边三角形形状；这三个镜面92Aa、92Ab和92Ac彼此正交以形成一个隅角棱镜(图11B)。图12A也是以放大方式显示后向反射器阵列92的一部分的正视图。后向反射器阵列92也是作为对齐的隅角棱镜的集合的隅角棱镜阵列，每个隅角棱镜利用立方体的一个内角。当从前面看时，每一个后向反射器92B均具有等边六边形形状，其通过将相同形状和相同大小的正方形形状的三个镜面92Ba、92Bb和92Bc在公共点聚集结合而形成。所述三个镜面92Ba、92Bb和92Bc彼此正交(图12B)。虽然在图12A和图12B中示出的后向反射器阵列92在形状上与图IlA和图IlB中的那些不同，但是它们的后向反射原理是一样的。图IlB和图12B分别解释了在图IlA和图12A中显示的后向反射器阵列92的后向反射原理。入射到后向反射器92A或92B的镜面之一(例如，92Aa或92Ba)的光束依次通过不同的镜面(92Ab或92Bb)和另一镜面(92Ac或92Bc)反射。因此，光束向着其入射到后向反射器92A或92B的位置反射回去。入射到后向反射器阵列92的光束的光路和从后向反射器阵列92出射的光束的光路不重合,但是在严格意义上彼此平行。如果后向反射器92A或92B与后向反射器阵列92相比足够小，则入射光束和出射光束的光路可被认为彼此重合。这两个类型的隅角棱镜阵列在以下方面彼此不同。制造具有等腰三角形形状镜面的隅角棱镜阵列相对容易，但是其反射率变得有些低。相反，制造具有正方形形状镜面的隅角棱镜阵列相对难，但是其反射率变高。前述隅角棱镜阵列的替代形式可用作后向反射器阵列92，只要该替代形式(广义上被称作“角反射器”)通过利用三个镜面使得光束后向反射即可。虽然本文没有示出，但是，例如，在实施方式中应用的示例性单元后向反射器具有三个镜面，其中的两个彼此正交，并且另一个关于其余两个成90/N(N为整数)度角。单元后向反射器的另一示例是具有三个镜面的锐角后向反射器，相邻的镜面之间限定的角为90度、60度和45度。猫眼后向反射器也可用作单元后向反射器。这些后向反射器阵列可以是平坦、弯曲或扭曲的。后向反射器阵列的位置可被合适地确定，只要从被观看对象发射并通过半透半反镜91反射的光束被后向反射器阵列后向反射即可。在具有半透半反镜91和后向反射器阵列92的显示装置Ia中，与具有二面角反射器阵列的显示装置I相似，沿着相对于半透半反镜91的镜面倾斜的方向，在观看者的视线内看到实像3为漂浮在所述视线内的空间中的像。通过改变形成的像所显示的位置，或通过改变看见的像的大小，显示装置Ia也可实现实像3的变化。
在上述实施方式中，描述了包括单个反射镜4的显示装置。但是本发明不受这些装置限制。可将多个反射镜用于本发明的显示装置。图13示出了包括二面角反射器阵列6和两个反射镜4、4a的组合的显示装置的示例性实施方式。显示装置I与前述实施方式的显示装置I的不同之处仅涉及第二反射镜4a。因此，认为已说明显示装置I的相同名称和标号的元件。虽然由于增加的第二反射镜4a使得反射的折返次数相对于前面的方案增加，但是它们的后向反射原理与本实施方式是相同的。在该情况下，虽然限制所述两个反射镜布置在除刚好二面角反射器阵列6下方的空间之外的空间，但是反射镜等的折叠布置是有效的。即，被观看对象2、第二反射镜4a、反射镜4和二面角反射器阵列6按以下方式布置，即来自被观看对象2的每一光束依次被第二反射镜4a和反射镜4反射，然后入射到二面角反射器阵列6。如所述，该实施方式可将与图I中所示的像相同的像提供给观看者。在不脱离本发明的意义的情况下，显示装置的每个组成部分的具体结构可被合适地改变。作为示例，本发明应用于一种显示装置以在显示装置的显示部前方的空间中形成漂浮像。产业上的可利用性本发明可应用作为用于广告目的的显示装置和在车辆中使用的信息显示装置。附图标号说明l、la···显示装置2...被观看对象3...漂浮像(实镜像)4···反射镜4a...第二反射镜6. . . 二面角反射器阵列(实镜像成像光学系统)6S...元件面(对称面)60...基板61··· 二面角反射器6la、6Ib. · ·镜面91···半透半反镜91S. · ·镜面(对称面)92···后向反射器阵列
92Α、92Β·…后向反射器92Aa>92Ab>92Ac>92Ba>92Bb>92Bc...镜面CL...镜的相交线
权利要求
1.一种显示装置，所述显示装置包括 被观看对象； 实镜像成像光学系统，所述实镜像成像光学系统包括半透射基板，所述半透射基板具有限定存在对象的物方空间和存在观看者的观看者方空间的对称平面，其中所述实镜像成像光学系统利用透过所述基板的光在所述观看者方空间中形成所述被观看对象的实像；以及 至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置在所述物方空间中，以反射来自所述被观看对象的光束，从而将反射的光束引导至所述实镜像成像光学系统。
2.根据权利要求I所述的显示装置，其中所述被观看对象是显示在预定屏幕上的画面。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其中所述画面的大小随时间改变。
4.根据权利要求2至3中的任一项所述的显示装置，在所述屏幕中所述画面的位置随时间改变。
5.根据权利要求3或4所述的显示装置，其中所述画面随时间连续改变。
6.根据权利要求3或4所述的显示装置，其中所述画面随时间非连续改变。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的显示装置，所述屏幕是电子显示器的屏幕。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的显示装置，所述屏幕三维地显示所述画面。
9.根据权利要求I至8中的任一项所述的显示装置，其中所述实镜像成像光学系统是用作二面角反射器的光学元件。
10.根据权利要求I至8中的任一项所述的显示装置，其中所述实镜像成像光学系统由半透半反镜和后向反射器阵列的组合形成。
全文摘要
本发明公开了一种显示装置，该显示装置能够设置为增大被观看对象的放置位置的自由度，并且减小与观看者方相反的一方的空间，同时实镜像成像光学系统插入在两空间之间。具体地，公开了一种显示装置，该显示装置包括被观看对象；实镜像成像光学系统，该实镜像成像光学系统分离被观看对象方空间和观看者方空间，包括半透射基板，该半透射基板包括对称平面，并且经由基板在观看者方空间中形成被观看对象的实像；以及至少一个反射镜，该至少一个反射镜布置在被观看对象方空间中，反射来自被观看对象的光，从而将反射光引导至实镜像成像光学系统。
文档编号G09F9/00GK102804026SQ20108002569
公开日2012年11月28日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月11日
发明者前川聪, 杉山贵 申请人:独立行政法人情报通信研究机构, 斯坦雷电气株式会社
技术领域：
本发明涉及一种使观看者能够观看到利用实镜像成像光学系统形成在空中的被观看对象的实像的显示装置。
背景技术：
已经提出了一种显示装置，其中观看者能够看到被观看对象的实像，S卩，通过利用实镜像成像光学系统形成在空中的实镜像(见专利文献I)。所述显示装置包括在与观看者相反的空间中布置的被观看对象以及用于在观看者所在的空间中形成被观看对象的实像的实镜像成像光学系统。对象的实像形成在关于实镜像成像光学系统的对称面(元件表面)与对象对称的位置处。[专利文献]专利文献I :W02007/116639
发明内容
本发明要解决的问题然而，在专利文献I中公开的方法应用到显示装置的情况下，要求被观看对象必须布置得远离实镜像成像光学系统，以形成远离所述实镜像成像光学系统的漂浮像。因此，在观看者一侧和关于实镜像成像光学系统的另一侧需要大空间，因为被观看对象的实像形成在关于实镜像成像光学系统的对称面与所述对象对称的对称位置处。在专利文献I的方法中，由于被观看对象固定，因此所得漂浮像的位置和大小固定。因此，除了作为漂浮像之外，所得像并不令人赞叹。因此，本发明的一个目的是提供能够自由设置观看通过实镜像成像光学系统形成的像的观看位置(角)的显示装置。解决问题的手段本发明的显示装置的特征在于包括被观看对象；实镜像成像光学系统，所述实镜像成像光学系统包括半透射基板，所述半透射基板具有限定存在对象的物方空间和存在观看者的观看者方空间的对称平面，其中所述实镜像成像光学系统利用透过所述基板的光在所述观看者方空间中形成所述被观看对象的实像；以及至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置在所述物方空间中，以反射来自所述被观看对象的光束，从而将反射的光束引导至所述实镜像成像光学系统。提出本发明以减小关于实镜像成像光学系统与观看者方空间相反的必要空间。具体地讲，实现了一种本发明的显示装置，所述显示装置包括实镜像成像光学系统，所述实镜像成像光学系统用于在观看者方空间中形成被观看对象的实镜像；和用于实像的形成的对象，所述对象关于二面角反射器阵列布置在与观看者相反的空间中；以及另外还包括至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置在物方空间中，以反射来自所述被观看对象的光束，从而将反射光束引导至所述成像光学系统。
通过利用反射镜来反射从被观看对象提供的光束和将所述光束引导至实镜像成像光学系统中，本发明有利于增大被观看对象的布置的自由度，同时最小化物方空间。本发明可包括用于随时间流逝改变漂浮像的位置和/或大小的装置，从而产生被观看的非常令人赞叹的漂浮像，同时最小化装置中的物方空间。具体地说，将在预定屏幕上显示的画面用作被观看对象以改变漂浮像的位置和/或大小是有效的。在所述屏幕中随时间改变所述画面的大小是有效的。在所述屏幕中随时间改变所述画面的位置是有效的。所述画面随时间连续改变是有效的，或者所述画面可随时间非连续改变或随时间间歇性地改变。电子显示器的屏幕可用作所述屏幕。此外，在所述屏幕上三维显示所述画面是有效的，这是因为三维画面是令人赞叹的。在本发明中，实镜像成像光学系统被构造为使得能够从自对称面(基板)倾斜的观看位置观看对象的实像。实镜像成像光学系统的具体示例是具有二面角反射器阵列的实镜像成像光学系统。所述二面角反射器阵列由大量二维布置的二面角反射器构成，每个二面角反射器具有两个正交的镜面。与所有镜面正交的公共平面被定义为元件面，对象和实像关于所述元件面彼此对称。从对象发射的每一光束被每个二面角反射器的两个镜面各反射一次。每一反射光束随后透过二面角反射器阵列的元件面。结果，在关于所述二面角反射器阵列的元件面与对象对称的位置处形成所述对象的实像。为了通过每个二面角反射器使每一光束适当地弯曲，并允许光束透过元件面，沿孔贯穿元件面的方向限定的光学孔的内壁用作二面角反射器阵列的二面角反射器的各个镜面。这些二面角反射器被概念性地描述，并且不要求反映例如通过物理边界确定的形状。作为示例，所述光学孔可以是不分离的，而是可以彼此结合。简而言之，二面角反射器阵列由大量基本垂直于元件面并布置在元件面上的镜面构成。在结构方面需要考虑的是镜面怎样固定地支撑在元件面上。作为形成镜面的示例性具体方式，提供用于限定预定空间的基板，从而具有作为元件面的其中布置二面角反射器阵列的平面，并且每个光学孔的内壁用作每个二面角反射器的镜面，其中光学孔贯穿所述元件面。形成在基板中的孔仅要求是透明的，以允许各光束透过那里。举例而言，所述孔可以是真空的。作为另外一种选择，所述孔可填充有透明气体或透明液体。每个孔的形状可任意确定，只要所述孔的每个在其内壁上具有用作单位光学元件的一个镜面，或不在同一平面内的两个或更多个这种镜面，并且允许通过镜面反射的每一光束透过对应的孔即可。孔可结合，或者由于孔的部分缺失，它们可具有复杂的结构。作为另一示例，不同的独立镜面在基板的表面上大量地竖立在一起。在这种情况下，应该理解为形成在基板中的孔彼此结
口 ο此外，二面角反射器可利用诸如透明玻璃或树脂这样的实心物质形成，以具有作为光学孔的棱柱或圆柱形状。在每个圆柱构件由实心物质中形成的这种情况下，所述圆柱构件可布置为彼此靠近以用作元件的支撑构件。另外，如果二面角反射器阵列具有基板，则圆柱构件可从基板的表面突出。圆柱构件的形状也可任意确定，只要每一个圆柱构件在其内壁上具有允许所述圆柱构件用作二面角反射器的一个镜面，或不在同一平面内的两个或更多个这种镜面，并且允许被镜面反射的每一光束透过那里即可。虽然被称作圆柱构件，但是它们可结合，或者由于它们的部分缺失，它们可具有复杂的结构。
应当考虑这样一种形状的光学孔，其中所有相邻的内壁面正交，如在立方体或直方体中那样。在这种情况下，相邻二面角反射器之间的间隙可被最小化，并且从而可实现高密度布置。优选地，通过除了面对被观看对象的二面角反射器的面之外的面防止反射。在二面角反射器具有多个内镜面的情况下，透过的光中的一部分可经历多次反射，即，透过所述孔的光束可发生几倍或更多倍于设想的反射次数的多次反射。关于这些多次反射的对策，如果两个彼此正交的镜面形成在光学孔的内壁上，则按以下方式防止这种多次反射。一种方式是，除了这两个镜面之外的面可被制为非镜面，以防止光束被该表面反射。另一种方式是，除了这两个镜面之外的面可相对于元件面倾斜使得其不与元件面正交，或者可弯曲。按照任何一种方式，都可减少或防止产生反射三次或更多次的多次反射光束。为了形成非镜面，可使用以下构造，其中目标面可涂有抗反射涂层或薄膜，并且作为另外一种选择，目标面的表面粗糙度可增大，以在目标面上引起漫反射。此外，透明平坦基板的存在不妨碍光学元件的功能，并且因此可使用任何合适的基板作为支撑构件和/或保护性构件。 为了提高投影实像的亮度水平，期望布置在元件面上的大量二面角反射器彼此尽可能靠近。作为示例，二面角反射器的格状布置是有效的。作为优点，这种布置使得显示装置容易制造。每个二面角反射器的镜面可为用于引起光束的反射的平面，并且其由诸如金属或树脂这样的光泽物质制成，而不管该物质是固体还是液体。二面角反射器的镜面也可如下其在不同折射率的透明介质之间的平坦边界界面上引起反射或全反射。在针对镜面使用全内反射的情况下，通过多个镜面的不期望的多次反射将很可能超出全内反射的临界角，因此，希望这些不期望的多次反射将自然地得到抑制。另外，镜面可仅形成在光学孔的内壁的有限部分上，或可由平行布置的多个单元镜面构成，只要每个镜面不出问题地发挥作用即可。关于后一个方面，换句话说，由多个单元镜面形成镜面意味着镜面可被划分为多个单元镜面。在这种情况下，单元镜面不一定需要存在于同一平面上，但是要平行。此外，单元镜面可彼此接触，或可彼此分离。可应用于本发明中作为实镜像成像光学系统的另一具体示例是包括后向反射器阵列和具有半透半反镜面(half mirror surface)的半透半反镜(half mirror)的光学系统，所述后向反射器阵列用于引起光束的后向反射，所述半透半反镜用于反射光束和使光束透过。在这种实镜像成像光学系统中，半透半反镜面用作对称面，并且后向反射器阵列布置在如下的位置，即，该位置可后向反射从被观看对象发射并且被半透半反镜反射或透过半透半反镜的光束。后向反射器阵列相对于半透半反镜仅布置在还存在被观看对象的同一空间中。后向反射器阵列的位置为使得被半透半反镜反射的光束被后向反射器阵列后向反射。这里，后向反射器的操作“后向反射”是这样一种现象，即，其中，每一反射光束被朝着原始位置向回反射(或逆反射)，因此入射光束和反射光束彼此平行并反向。大量后向反射器布置以构成后向反射器阵列。如果每个后向反射器的大小足够小，则入射光束的路径和反射光束的路径被认为是重合的。后向反射器阵列的多个后向反射器不需要在一个平面上，而是可在曲面上。此外，这些后向反射器不需要在同一平面上，而是可三维地分散。此夕卜，半透半反镜具有使光束透过和反射光束的两个功能。半透半反镜的透射率和反射率之比理想地为1:1。可利用由三个相邻的镜面构成的后向反射器(广义上，称作“角反射器”)。作为另外一种选择，可使用猫眼后向反射器作为后向反射器。作为示例，角反射器由三个彼此正交的镜面构成。作为另一示例，角反射器具有三个相邻的镜面，其中由所述镜面限定的角中的两个均为90度，另一个角为90/N(其中N是整数)度。作为另一示例，角反射器还为锐角后向反射器，其具有三个镜面，其中通过三个镜面限定的角分别为90度、60度和45度。如果使用包括前述后向反射器阵列和半透半反镜的实镜像成像光学系统，则从被观看对象发射的一些光束被半透半反镜面反射。然后，反射光总是被后向反射器阵列后向反射以向原始位置返回，然后透过半透半反镜面。结果，形成对象的像。因此，只要后向反射器阵列布置在允许接收来自半透半反镜的反射光束的位置，后向反射器阵列的形状和位置就不受限制。沿着与透过半透半反镜面的光束相反的方向观看由此形成的实像。当使用后向反射器阵列时，应当注意后向反射器阵列和被观看对象之间的位置关系。具体地说，有必要避免将后向反射器阵列布置在从被观看对象提供的光束朝反射镜行进的路径上。被观看对象的示例是诸如霓虹灯这样的固定显示的标志，或者固定显示在显示面板上的标志(诸如由光源和显示面板构成的应急灯)。被观看对象的另一示例是显示在诸如液晶显示器、CRT显示器和有机EL显示器这样的电子显示器的显示面上的图像或画面。被观看对象的另一示例是通过按直线布置诸如LED这样的小型光源并控制光发射的位置而给定的阵列光源。有益效果通过使用至少一个反射镜，从被观看对象提供的光束反向传播并被引导至实镜像成像光学系统。结果，增大了关于被观看对象的布置和位置的自由度。将实镜像成像光学系统夹在中间的与观看者相反的空间减小，以最小化显示装置的大小。
在以下结合附图的描述中解释了本发明的前述方面和其它特征，其中图I是示出当从观看者侧观看时的本发明实施方式的显示装置的示意性立体图；图2是示出当从侧面观看时的本实施方式的显示装置的主要部分的示意性横截面图；图3是示出怎样仅通过应用到实施方式的二面角反射器阵列成像的示意性立体图；图4A是示出应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列的结构的具体示例的示意性平面图；图4B是对应地示出应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列的结构的具体示例的示意性局部切除的立体图；图5是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列成像的示意性平面图；图6是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列成像的示意性侧视图；图7是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列与半透半反镜的组合成像的示意性平面图8是示出怎样通过应用到实施方式的显示装置的二面角反射器阵列与半透半反镜的组合成像的示意性侧视图；图9是示出当从观看者侧观看时，光束怎样通过应用到根据本发明另一实施方式的实镜像成像光学系统的后向反射器阵列和这些后向反射器后向反射的示意性立体图；图10是示出光束怎样通过应用到根据本发明另一实施方式的实镜像成像光学系统的后向反射器阵列和这些后向反射器后向反射的示意性横截面侧视图；图IlA是示出应用到实镜像成像光学系统的后向反射器阵列的示意性局部平面图；图IlB是示出光束怎样被后向反射器阵列的示例性后向反射器后向反射的示意性放大局部平面图；图12A是示出应用到实镜像成像光学系统的另一后向反射器阵列的示意性局部平面图；图12B是示出光束怎样被后向反射器阵列的示例性后向反射器后向反射的示意性放大局部平面图；图13是示出怎样通过应用到另一实施方式的显示装置的二面角反射器阵列和两个反射镜的组合成像的示意性平面图。
具体实施例方式以下将在本文中通过参照附图描述根据本发明的实施方式的显示装置。图I和图2均是示出本发明适用以具有单个反射镜的显示器结构的解释性示图。显示装置I包括作为实镜像成像光学系统的二面角反射器阵列6 ;和被观看对象2，所述被观看对象2关于所述二面角反射器阵列6布置在与观看者V相反的空间中；以及反射镜4，所述反射镜4布置在对象所在的空间中。从被观看对象2提供的光束被反射镜4反射到二面角反射器阵列6，然后通过二面角反射器阵列6，从而在观看者V的视线上形成作为实镜像的漂浮像3。此外，反射镜4被设置为相对于二面角反射器阵列呈合适角度，以将光束引导至二面角反射器阵列6。也就是说，被观看对象2、反射镜4和二面角反射器阵列6按以下方式布置即，从被观看对象2发射的光束被反射镜4反射，然后被引导至二面角反射器阵列6。为了详细解释以上元件的关系，首先在结构和效果上对二面角反射器阵列的单个单元进行描述，然后在结构和效果上对将反射镜4加入到单个单元的组合进行描述。如图3、图4A和图4B中示意性地示出，二面角反射器阵列6由大量二面角反射器61构成，每个二面角反射器具有两个正交的镜面61a和61b。与每个二面角反射器61的两个镜面61a和61b基本正交的平面被定义为元件面6S。被观看对象2的实像3关于元件面6S形成在与被观看对象2呈平面对称的位置。在本实施方式中，二面角反射器61与二面角反射器阵列6的整体大小(厘米量级)相比相当小(微米量级)。在图3中，用灰色表示二面角反射器61的集合，并且用V字形状指示由镜面限定的2面角，以示出其内角的朝向，这样，在附图中夸大地示出了二面角反射器61。图4A是二面角反射器阵列6的示意性平面图，图4B是二面角反射器阵列6的一部分的立体图。在图4A和图4B中，与整个二面角反射器阵列6相比,二面角反射器61和镜面61a、61b被相当夸大地显示。
针对使每一光束弯曲并允许光束透过的二面角反射器阵列6，可使用以下光学元件，其中大量物理性和光学性的孔形成在平板状基板60的平面中，其方式是，孔沿着基板60的厚度方向竖直地贯穿基板60，其中每个孔的内壁面的两个正交的面形成为镜面61a和61b，以将每个孔的内壁面用作二面角反射器61。为了给基板60提供至少半透射性能，如图4A和图4所示，允许每一光束透过的俯视地看为大致矩形形状(例如，正方形)的大量物理性和光学性的孔(例如，孔的一边在50 μ m至200 μ m的范围内)形成在薄型平板状基板60中。然后，通过对每个孔的内壁面的正交和相邻的两个面进行平滑镜面抛光，从而形成镜面61a和61b。结果，提供了各自具有用作反射面的两个镜面61a和61b的二面角反射器61。优选地，不对孔的内壁面的不用于形成二面角反射器61的那些进行镜面抛光，从而它们将是非反射性的，或者以不能产生多次反射光束的角度形成它们。还优选地，二面角反射器61布置在规则布置的格点上，使得镜面61a和61b限定的内角在基板60上将全部布置在同一方向上。因此，每个二面角反射器61的两个正交 的镜面61a和61b的相交线CL优选地与元件面6S正交。以下，镜面61a、61b限定的内角的方向被称为二面角反射器61的朝向(方向)。镜面61a和61b的示例性形成过程如下。首先预备好金属模。然后，在内壁面上执行诸如纳米级切割处理、纳米压印处理(即利用模具的纳米级按压处理)或电铸这样的处理，使得内壁面像镜面61a和61b那样作用。加工如此形成的镜面61a和61b，使得它们的表面粗糙度等于或小于10nm，并且它们将在可见光谱范围内均匀地用作镜面。当通过电铸处理用诸如铝或镍这样的金属形成基板60时，如果模的表面粗糙度足够小，则镜面61a和61b自然成为镜面。当使用纳米压印处理将树脂等用作基板60的材料时，应当通过诸如溅射这样的处理执行镜面涂覆以形成镜面61a和61b。通过将相邻的二面角反射器61之间的间隔控制到其最小可能水平，能够提高光的透射率。优选地，二面角反射器阵列6的上表面(从观看者侧观看到的表面)经过诸如利用低反射率材料涂覆的处理。二面角反射器阵列6的结构不限于以上描述的那些。可适当地采用二面角反射器阵列6的结构和形成二面角反射器阵列6的方法，只要大量二面角反射器61每个均由两个正交的镜面61a和61b形成即可，并且二面角反射器61每个均用作允许每一光束透过的光学孔。在构成二面角反射器阵列6的每个二面角反射器61中，经后侧进入对应孔的光束被一个镜面61a (或61b)反射。反射的光束被另一镜面61b (或61a)进一步反射，然后经前侧通过二面角反射器61。每一光束入射到二面角反射器61的路径以及该光束从二面角反射器61射出的路径关于元件面6S彼此平面对称。具体地，假设元件面6S是穿过每个镜面高度的中央部分并与每个镜面正交的面，则元件面6S是对称面，被观看对象2的形成为漂浮像的实像(即实镜像3)的位置关于所述对称面与被观看对象2平面对称。以下结合从作为被观看对象的点光源(O)发射的每一光束的路径简要描述怎样通过二面角反射器阵列6形成像。根据图5的平面图和图6的侧视图中示意性示出，当从点光源(O)发射的光束(当在图5中以三维方式观看时，通过在附图上从后朝前行进的带箭头的单点划线指示)经过二面角反射器阵列6时，每一光束被一个镜面61a (或61b)反射一次，然后被每个二面角反射器61的另一镜面61b (或61a)再次反射。接着，反射的光束通过元件面(图6中的6S)，然后分散地经过关于二面角反射器阵列6的元件面6S与点光源(ο)呈平面对称的一点。在图5中，入射光束和反射光束被不为平行。原因如下。在图5中,相对于点光源(ο), 二面角反射器61被显示得夸大。但是，二面角反射器61的实际大小相当小。因此，当从上面观看二面角反射器阵列6时，入射光束和反射光束几乎彼此重叠。概括地说，光束会聚到关于元件面6S与点光源(ο)呈平面对称的位置，从而在位置(P)形成实像，如图5和图6所示。分别对应于图5和图6的图7和图8解释了通过将反射镜4添加到观看者所在的空间中实现的操作。虽然图5示出了先落在每个二面角反射器61的两个镜面(61a、61b)二者上的光束的光路(即，示出了两个光路)，但是在图7中，仅示出了先落在镜面之一上的一条光束，以避免混乱。基本概念如下。如图7和图8中所不,从点光源(ο)发射的每一光束首先通过在朝二面角反射器61行进的光束的路径上布置的平面镜形式的反射镜4折返，以入射到二面角反射器61。然后，作为结果，二面角反射器阵列6在位置(P)形成实像。换句话说，在图8中，点光源(ο)的位置和其虚像(oa)的位置关于反射镜4彼此呈平面对称，此外，虚像(oa)的位置和对象的实镜像(P)的位置关于元件面6S彼此呈平面对称。在相对于反射镜4看到二面角反射器阵列6的情况下，点光源(ο)的位置按照对象(对应于图
7和图8中的光源)和其虚像的关系定位。在图I中，将反射镜4增加到图3的二面角反射器阵列的组合被示出为本实施方式，显示了二面角反射器阵列6、反射镜4和被观看对象2的关系。从以上描述可看出，在反射镜4和观看者V之间的空间中形成实镜像3，所述实镜像3在观看者V的视线中漂浮在空中。如上所述，本发明提供了一种能够显示位于观看者V的视线中的在空中的漂浮实镜像3的小型装置。也就是说，由于像呈现在原本没有东西存在的空中，因此该像可有利于吸引观看者的注意。除了实体之外，通过显示装置显示的画面可用作被观看对象2。除此之夕卜，如果诸如液晶显示装置这样的电子显示装置用作被观看对象2，则将由观看者观看的实镜像3可随时间流逝而改变。因此，显示在屏幕上的被观看对象的画面可用于引起观看者的注意。例如，被观看画面的位置或大小的改变能够增加实镜像3的变化。随时间流逝的被观看画面的这些位置或大小的改变可以是连续或非连续的。图9和图10是各自示出适用本发明的另一实施方式的显示装置的主要部分的示意性横截面侧视图。显示装置Ia与上述实施方式的显示装置I的不同之处仅涉及实镜像成像光学系统。因此，认为与显示装置I的相同的名称和标号的元件已被说明。通过将半透半反镜91和后向反射器阵列92组合可形成适于本实施方式的实镜像成像光学系统9。对称平面的元件面6S是镜面。被观看对象2布置在关于半透半反镜91与观看者V相反的空间中。反射镜4和后向反射器阵列92也布置在与观看者V相反的空间中。布置在被观看对象2的下方的后向反射器阵列92具有使来自半透半反镜91的每一光束后向反射的功能。因此，从被观看对象2发射的每一光束被反射镜4反射以朝半透半反镜91行进。被半透半反镜91反射的光束被引导至后向反射器阵列92。由于后向反射器阵列92具有后向反射从半透半反镜91提供的光束的功能，因此，引导至后向反射器阵列92的光束返回到半透半反镜91。在透过半透半反镜91之后，在观看者V的视线内的空间中形成实像3。反射镜4的角被合适地设置，使得来自半透半反镜91的每一光束可朝着观看者V引导。S卩，被观看对象2、反射镜4和后向反射器阵列92按以下方式布置来自被观看对象2的每一光束被反射镜4反射到半透半反镜91，接着被半透半反镜91反射的光束被引导至后向反射器阵列92，接着被后向反射器阵列92后向反射的光束返回到半透半反镜91，然后导致部分透过那里并且朝着观看者行进。如所述，该实施方式可将与图I所示的像相同的像提供给观看者。半透半反镜91也可如下制成，即，在由例如透明树脂或玻璃制成的透明薄板的一个表面上覆盖薄反射膜。透明薄板的另一相反表面受到防反射处理(即，AR涂覆)，从而防止看到的实像3变为重像。此外，可将诸如可见度控制膜或视角控制膜这样的功能光学膜(未示出)附到半透半反镜91的上表面上作为视线控制装置，其中可见度控制膜仅扩散沿特定方向的光束，视角控制膜仅截断沿特定方向的光束，但是它们二者均允许沿其它特定方向的光透射。具体地说，这种光学膜防止直接透过半透半反镜91之后的光束到达观看者V的观看位置之外的地方，从而，通过半透半反镜91，从除观看者V的观看位置之外的任何位置，不能直接看到在反射镜4中反射的被观看对象的像。但是，光学膜还允许仅在被半透半反镜91暂时反射并被后向反射器阵列92后向反射之后的沿着从后向反射器阵列92透
过半透半反镜91的方向行进的光束透过，如以下描述，从而从观看者V的观看位置可仅看见实像3。但是，后向反射器阵列92可为任何类型的，只要其严格使入射光束后向反射即可。可通过将后向反射材料或后向反射涂层施加到材料表面上形成后向反射器阵列92。此夕卜，后向反射器阵列92可具有曲面或平面。图IlA是以放大方式示出后向反射器阵列92的一部分的正视图。图IlA中所示的后向反射器阵列92是作为隅角棱镜的集合的隅角棱镜阵列，每个隅角棱镜利用立方体的一个内角。每个后向反射器92A通过将相同形状和相同大小的等腰直角三角形形状的三个镜面92Aa、92Ab和92Ac在公共点聚集结合而形成，当从前面看时呈现出等边三角形形状；这三个镜面92Aa、92Ab和92Ac彼此正交以形成一个隅角棱镜(图11B)。图12A也是以放大方式显示后向反射器阵列92的一部分的正视图。后向反射器阵列92也是作为对齐的隅角棱镜的集合的隅角棱镜阵列，每个隅角棱镜利用立方体的一个内角。当从前面看时，每一个后向反射器92B均具有等边六边形形状，其通过将相同形状和相同大小的正方形形状的三个镜面92Ba、92Bb和92Bc在公共点聚集结合而形成。所述三个镜面92Ba、92Bb和92Bc彼此正交(图12B)。虽然在图12A和图12B中示出的后向反射器阵列92在形状上与图IlA和图IlB中的那些不同，但是它们的后向反射原理是一样的。图IlB和图12B分别解释了在图IlA和图12A中显示的后向反射器阵列92的后向反射原理。入射到后向反射器92A或92B的镜面之一(例如，92Aa或92Ba)的光束依次通过不同的镜面(92Ab或92Bb)和另一镜面(92Ac或92Bc)反射。因此，光束向着其入射到后向反射器92A或92B的位置反射回去。入射到后向反射器阵列92的光束的光路和从后向反射器阵列92出射的光束的光路不重合,但是在严格意义上彼此平行。如果后向反射器92A或92B与后向反射器阵列92相比足够小，则入射光束和出射光束的光路可被认为彼此重合。这两个类型的隅角棱镜阵列在以下方面彼此不同。制造具有等腰三角形形状镜面的隅角棱镜阵列相对容易，但是其反射率变得有些低。相反，制造具有正方形形状镜面的隅角棱镜阵列相对难，但是其反射率变高。前述隅角棱镜阵列的替代形式可用作后向反射器阵列92，只要该替代形式(广义上被称作“角反射器”)通过利用三个镜面使得光束后向反射即可。虽然本文没有示出，但是，例如，在实施方式中应用的示例性单元后向反射器具有三个镜面，其中的两个彼此正交，并且另一个关于其余两个成90/N(N为整数)度角。单元后向反射器的另一示例是具有三个镜面的锐角后向反射器，相邻的镜面之间限定的角为90度、60度和45度。猫眼后向反射器也可用作单元后向反射器。这些后向反射器阵列可以是平坦、弯曲或扭曲的。后向反射器阵列的位置可被合适地确定，只要从被观看对象发射并通过半透半反镜91反射的光束被后向反射器阵列后向反射即可。在具有半透半反镜91和后向反射器阵列92的显示装置Ia中，与具有二面角反射器阵列的显示装置I相似，沿着相对于半透半反镜91的镜面倾斜的方向，在观看者的视线内看到实像3为漂浮在所述视线内的空间中的像。通过改变形成的像所显示的位置，或通过改变看见的像的大小，显示装置Ia也可实现实像3的变化。
在上述实施方式中，描述了包括单个反射镜4的显示装置。但是本发明不受这些装置限制。可将多个反射镜用于本发明的显示装置。图13示出了包括二面角反射器阵列6和两个反射镜4、4a的组合的显示装置的示例性实施方式。显示装置I与前述实施方式的显示装置I的不同之处仅涉及第二反射镜4a。因此，认为已说明显示装置I的相同名称和标号的元件。虽然由于增加的第二反射镜4a使得反射的折返次数相对于前面的方案增加，但是它们的后向反射原理与本实施方式是相同的。在该情况下，虽然限制所述两个反射镜布置在除刚好二面角反射器阵列6下方的空间之外的空间，但是反射镜等的折叠布置是有效的。即，被观看对象2、第二反射镜4a、反射镜4和二面角反射器阵列6按以下方式布置，即来自被观看对象2的每一光束依次被第二反射镜4a和反射镜4反射，然后入射到二面角反射器阵列6。如所述，该实施方式可将与图I中所示的像相同的像提供给观看者。在不脱离本发明的意义的情况下，显示装置的每个组成部分的具体结构可被合适地改变。作为示例，本发明应用于一种显示装置以在显示装置的显示部前方的空间中形成漂浮像。产业上的可利用性本发明可应用作为用于广告目的的显示装置和在车辆中使用的信息显示装置。附图标号说明l、la···显示装置2...被观看对象3...漂浮像(实镜像)4···反射镜4a...第二反射镜6. . . 二面角反射器阵列(实镜像成像光学系统)6S...元件面(对称面)60...基板61··· 二面角反射器6la、6Ib. · ·镜面91···半透半反镜91S. · ·镜面(对称面)92···后向反射器阵列
92Α、92Β·…后向反射器92Aa>92Ab>92Ac>92Ba>92Bb>92Bc...镜面CL...镜的相交线
权利要求
1.一种显示装置，所述显示装置包括 被观看对象； 实镜像成像光学系统，所述实镜像成像光学系统包括半透射基板，所述半透射基板具有限定存在对象的物方空间和存在观看者的观看者方空间的对称平面，其中所述实镜像成像光学系统利用透过所述基板的光在所述观看者方空间中形成所述被观看对象的实像；以及 至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置在所述物方空间中，以反射来自所述被观看对象的光束，从而将反射的光束引导至所述实镜像成像光学系统。
2.根据权利要求I所述的显示装置，其中所述被观看对象是显示在预定屏幕上的画面。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其中所述画面的大小随时间改变。
4.根据权利要求2至3中的任一项所述的显示装置，在所述屏幕中所述画面的位置随时间改变。
5.根据权利要求3或4所述的显示装置，其中所述画面随时间连续改变。
6.根据权利要求3或4所述的显示装置，其中所述画面随时间非连续改变。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的显示装置，所述屏幕是电子显示器的屏幕。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的显示装置，所述屏幕三维地显示所述画面。
9.根据权利要求I至8中的任一项所述的显示装置，其中所述实镜像成像光学系统是用作二面角反射器的光学元件。
10.根据权利要求I至8中的任一项所述的显示装置，其中所述实镜像成像光学系统由半透半反镜和后向反射器阵列的组合形成。
全文摘要
本发明公开了一种显示装置，该显示装置能够设置为增大被观看对象的放置位置的自由度，并且减小与观看者方相反的一方的空间，同时实镜像成像光学系统插入在两空间之间。具体地，公开了一种显示装置，该显示装置包括被观看对象；实镜像成像光学系统，该实镜像成像光学系统分离被观看对象方空间和观看者方空间，包括半透射基板，该半透射基板包括对称平面，并且经由基板在观看者方空间中形成被观看对象的实像；以及至少一个反射镜，该至少一个反射镜布置在被观看对象方空间中，反射来自被观看对象的光，从而将反射光引导至实镜像成像光学系统。
文档编号G09F9/00GK102804026SQ20108002569
公开日2012年11月28日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月11日
发明者前川聪, 杉山贵 申请人:独立行政法人情报通信研究机构, 斯坦雷电气株式会社
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