平视显示装置制造方法

平视显示装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种平视显示装置，其置于仪表板的上表面上，该平视显示装置包括：布置在所述仪表板的内侧空间内的观看对象；实镜像成像光学系统，该实镜像成像光学系统用于限定观看者所在的空间和所述仪表板的所述内侧空间，该实镜像成像光学系统包括具有对称平面的半透明基板，该实镜像成像光学系统利用穿过所述基板的光线在所述观看者的所述空间内形成所述观看对象的实像，其中所述实镜像成像光学系统是起二面角反射器作用的光学元件；以及在所述观看者的所述空间内布置的反射屏，该反射屏反射所述实镜像成像光学系统提供的所述观看对象的所述实像的光束，以将反射光束引导至所述观看者，同时允许形成待由所述观看者看到的图像。
【专利说明】平视显示装置
[0001] 本申请是申请日为：2010年9月28日、申请号为：201010502820. 2、发明名称为 "平视显示装置"的发明专利申请的分案申请。

【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种显示装置，其作为为车辆中的司机显示信息的装置，具体而言涉 及一种平视显示装置。

【背景技术】
[0003] 在诸如汽车的车辆中，经由在仪表板上安装的所谓仪表群（仪表盘）中的例如 车速表、转速计等给予司机各种显示的仪表信息，诸如速度、发动机转数等。目前，可以使 用平视显示装置将这些信息显示在仪表板上方的挡风玻璃上（例如日本专利申请特开平 09-15555 号公报）。
[0004] 在特开平09-15555号公报中所述的平视显示装置中，司机看到在挡风玻璃上反 射的显示图像的虚像。因此，司机感知到在关于挡风玻璃与其相对一侧的空间内，即在车辆 外侧的显示图像。
[0005] 通常，所看到的显示图像的位置取决于观看对象和挡风玻璃之间的距离和位于它 们之间的镜面的曲率半径。总之，司机会看到在车辆外侧的显示图像（挡风玻璃外侧），但 根本不能感知到在车辆内侧（挡风玻璃内侧）的显示图像。
[0006] 如上所述，即使使用利用虚像的常规平视显示装置，也不能够为司机提供在挡风 玻璃外侧（车辆外侧）和内侧（车辆内侧）的两个空间内都显示的任何图像。


【发明内容】

[0007] 考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种平视显示装置，该平视显示装置能够 在自由设置显示图像相对于挡风玻璃的位置（进深）的同时，显示生动的图像。
[0008] 根据本发明，提供了一种置于仪表板的上表面上的平视显示装置，该平视显示装 置的特征在于包括：布置在所述仪表板的内侧空间内的观看对象；实镜像成像光学系统， 该实镜像成像光学系统用于限定观看者所在的空间和所述仪表板的所述内侧空间，该实镜 像成像光学系统包括具有对称平面的半透明基板，该实镜像成像光学系统利用穿过所述基 板的光线在所述观看者的空间内形成所述观看对象的实像；以及在所述观看者的空间内布 置的反射屏，该反射屏反射所述实镜像成像光学系统提供的所述观看对象的所述实像的光 线，以将反射光束引导至观看者，同时允许形成待由观看者看到的图像。
[0009] 例如，本发明实现了一种平视显示装置，该平视显示装置能够将待由观看者看到 的图像显示在挡风玻璃的外侧（车辆外）和内侧（车辆内）的两个空间内。具体地说，这一 实现通过一种平视实现装置来完成，该平视显示装置包括：实镜像成像光学系统，该实镜像 成像光学系统位于车辆仪表板的上表面上，以在观看者的空间内形成观看对象的实像（实 镜像）；用于所述实像（实镜像）的观看对象，该观看对象位于与实镜像成像光学系统的观 看者侧相对的空间内；以及反射屏，该反射屏布置在与观看者相同的空间内，以部分反射实 镜像成像光学系统提供的光，从而将反射光引向观看者。
[0010] 本发明实施为这样的平视显示装置，其中挡风玻璃用作所述反射屏，并且另选地， 所述反射屏形成在挡风玻璃的表面上。
[0011] 本发明还实施为所述反射屏附着至挡风玻璃的表面。
[0012] 若观看对象和实镜像成像光学系统之间的距离短于反射屏（挡风玻璃）和实镜 像成像光学系统之间的距离，则司机看到的观看对象的图像为在反射屏（挡风玻璃）外 侧（车辆外）的虚像。相反地，若观看对象和实镜像成像光学系统之间的距离大于反射屏 (挡风玻璃）和实镜像成像光学系统之间的距离，则司机看到的观看对象的图像为在反射 屏（挡风玻璃）内侧（车辆内）的实像。因此，所述平视显示装置还可以包括用于改变所 述观看对象相对于所述实镜像成像光学系统的位置的装置。所述平视显示装置还可以包括 用于沿着连接所述观看对象和所述实镜像成像光学系统的线移动所述观看对象的装置。
[0013] 换句话说，根据观看对象和实镜像成像光学系统之间的距离，司机以视觉方式感 知观看对象的图像相对于反射屏（例如挡风玻璃）的位置在车辆内或车辆外，以及另选地， 在挡风玻璃上（观看对象的图像穿透时）。因此，在所述平视显示装置中，观看对象的位置 以从以下情形中选出至少两种情形的方式来变化，所述情形包括所见图像被布置为与所述 反射屏交叉、所见图像是在所述反射屏内的虚像、以及所见图像是在所述反射屏外的实像。 优选地，以如下方式来选择性地使用观看对象，即：将多个观看对象定位在多个位置处，从 而控制观看对象和实镜像成像光学系统之间的距离。
[0014] 存在另一种方式来控制观看对象和实镜像成像光学系统之间的距离，即：沿着连 接所述观看对象和所述实镜像成像光学系统的线移动观看对象的装置。在此情况下，观看 对象的移动距离被设定在这样的范围内，在该范围内观看者（司机）既可以看到由实镜像 成像光学系统和反射屏形成的实像，也可以看到基于由实镜像成像光学系统形成的实像由 反射屏形成的虚像。
[0015] 优选地，在所述平视显示装置中，所述实镜像成像光学系统的所述基板与所述仪 表板形成结合体。还优选地，在所述平视显示装置中，所述基板的表面被与所述仪表板相同 的颜色着色。
[0016] 为了通过各二面角反射器使各光束适当弯折并允许光束穿过元件表面，使用在光 学孔贯通元件表面所沿的方向上限定的光学孔内壁作为二面角反射器阵列的二面角反射 器的相应镜面。这些二面角反射器以概念方式描述，并不需要反映由例如物理界限确定的 形状。作为实施例，这些光学孔可不分开，而是可相互接合。
[0017] 简单来说，二面角反射器阵列由与元件表面基本垂直并布置在元件表面上的多个 镜面构成。就结构而言要考虑的是镜面如何固定地支撑在元件表面上。作为形成镜面的示 例性具体方式，将用于限定预定空间的基板设置成具有这样的平面，在该平面中将二面角 反射器阵列布置成元件表面，然后使用各光学孔的内壁作为各二面角反射器的镜面，其中 光学孔被制成贯通元件表面。基板中形成的这些孔仅需要是透明的，以允许相应光束穿过。 作为实施例，这些孔可以是真空的。或者，这些孔可填充有透明气体或透明液体。各孔的形 状可任意确定，只要这些孔均在它的作为单元式光学元件的内壁上具有一个镜面，或者不 位于同一平面上的两个或更多个这样的镜面，并允许由镜面反射的各光束穿过对应的孔即 可。这些孔可以相接合，或者可由于部分缺失而具有复杂结构。作为另一实施例，多个不同 的独立镜面一起立在基板的表面上。在这种情况下，应当理解，基板中形成的孔相互接合。
[0018] 此外，二面角反射器可利用透明玻璃或树脂之类的固体物质形成为具有棱柱状或 筒状形状作为光学孔。在各筒状构件由固体物质形成的情况下，筒状构件可布置成相互靠 近而起元件的支持构件作用。而且，若二面角反射器阵列具有基板，则筒状构件可从基板的 表面伸出。筒状构件的形状也可任意确定，只要筒状构件均在其内壁上具有一个镜面，或者 允许筒状构件作为二面角反射器的、不位于同一平面上的两个或更多个这样的镜面，并允 许由镜面反射的各光束从其穿过即可。尽管称为筒状构件，但是它们可以接合，或者可以因 部分缺失而为复杂结构。
[0019] 应当考虑光学孔的形状，其中所有相邻内壁面是正交的，如立方体或长方体中一 样。在这种情况下，可最小化相邻二面角反射器之间的间隙，从而可实现高度密集的布置。 优选的是，防止由除二面角反射器的面向观看对象的表面之外的表面进行反射。
[0020] 在其中二面角反射器具有多个内镜面的情况下，一部分透射光可发生多重反射， 即穿过孔的光束可发生多次多重反射或超过假定反射的多重反射。就应对这些多重反射的 对策而言，若在光学孔的内壁上形成两个相互正交的镜面，则以下述方式防止这样的多重 反射。在一个方式中，可将除这两个镜面以外的表面制成非镜面以防止由该表面进行光束 反射。在另一方式中，可使除这些镜面以外的表面相对于元件表面倾斜，从而使其可不正交 于元件表面，或者可使其弯曲。在任一方式中，可减少或防止产生反射三次或更多次的多重 反射光束。为形成非镜面，可使用以下构造，其中目标表面可涂覆有防反射涂层或薄膜，另 选的是可增大目标表面的表面粗糙度以在目标表面上引起漫反射。此外，透明平坦基板的 存在并不妨碍光学元件的功能，因此可使用任何适当基板作为支撑构件和/或保护构件。
[0021] 为了提高待投射的实像的亮度水平，期望的是，布置在元件表面上的多个二面角 反射器尽可能相互靠近。作为实施例，二面角反射器的晶格布置是有效的。这样布置的优点 在于使显示装置易于制造。各二面角反射器的镜面可以是用于引起光束反射并由金属或树 脂之类的有光泽的物质制成的平坦表面，所述物质无论是固体还是液体均可。二面角反射 器的镜面也可使得其在不同折射率的透明介质之间的平坦边界界面处反射或全反射。在对 镜面使用全内反射的情况下，由多个多重镜面引起的不期望多重反射很有可能会超过全内 反射的临界角，因此期望这些不期望的多重反射会自然受到抑制。此外，镜面可只形成在光 学孔的内壁的有限部分上，或者可由平行布置的多个单元镜面构成，只要各镜面无问题地 执行其功能即可。就后一方式而言，换言之，由单元镜面形成镜面意味着可将镜面分成多个 单元镜面。在这种情况下，这些单元镜面并不必须位于同一平面上，但是是平行的。此外， 这些单元镜面可相互接触，或者可相互隔开。
[0022] 可作为实镜像成像光学系统应用于本发明的另一具体实施例是这样一种光学系 统，该光学系统包括用于引起光束回射的回射器阵列以及具有用于反射光束并致使光束从 其穿过的半反射镜表面的半反射镜。在该实镜像成像光学系统中，半反射镜表面起对称平 面作用，并且回射器阵列布置在可引起从观看对象发出并由半反射镜反射或穿过半反射镜 的光束回射的位置。相对于半反射镜来说，回射器阵列仅布置在与观看对象相同侧的空间 中。回射器阵列的位置使得由半反射镜反射的光束被回射器阵列回射。这里作为回射器 的操作的术语"回射"是这样一种现象，在该现象中各反射光束被反射回其来处（或反向反 射），从而入射光束和反射光束相互平行并沿相反方向。对多个回射器进行排列而构成回射 器阵列。若各回射器的尺寸充分小，则入射光束的路径和反射光束的路径视为重叠。回射 器阵列的回射器不需位于平坦表面上，而是可位于弯曲表面上。此外，这些回射器不需位于 同一平面上，而是可以以三维方式散开。此外，半反射镜具有用于致使光束从其穿过和反射 光束两种功能。理想的是，半反射镜的透射率和折射率之比为1:1。
[0023] 可利用由三个相邻镜面构成的回射器（广义上称为"角反射器"）。另选的是，可 使用猫眼回射器作为所述回射器。作为一个实施例，角反射器由相互正交的三个镜面构成。 作为另一实施例，角反射器具有三个相邻的镜面，由这些镜面限定的角中的两个角均为90 度，另一角为90/N(其中N为整数）度。作为再一实施例，角反射器还是具有三个镜面的锐 角回射器，其中由三个镜面限定的角分别为90度、60度和45度。
[0024] 若使用包括上述回射器阵列和半反射镜的实镜像成像光学系统，则从观看对象发 出的部分光束被半反射镜表面发射。然后，反射光被回射器阵列回射而在所有情况下返回 其来处，然后穿过半反射镜表面。结果，形成对象的图像。因此，只要回射器阵列位于允许 接收来自半反射镜的反射光束即可，回射器阵列的形状和位置不受限制。沿与穿过半反射 镜表面的光束相反的方向看到由此形成的实像。
[0025] 观看对象的实施例是固定显示的指示，例如氖灯信号，或者固定显示在显示面板 上的指示（例如，由光源构成的应急灯和显示面板）。观看对象的另一实施例是显示在诸如 液晶显示器、CRT显示器和有机EL显示器之类的电子显示器的显示面上的图像。观看对象 的又一实施例是通过成行布置LED之类的紧凑光源并控制发光位置而给出的阵列光源。
[0026] 根据本发明，实现了一种平视显示装置，该平视显示装置能够在自由设定显示图 像相对于挡风玻璃的位置（进深）的同时，显示生动的图像。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 结合附图，本发明的上述方面和其他特征在以下描述中说明，附图中：
[0028] 图1是示出了适于带有本发明的实施方式的平视显示装置的车辆的一部分内部 部件的示意性立体图；
[0029] 图2是示出了从侧面观察到的所述实施方式的平视显示装置的主要部分的示意 性侧剖视图；
[0030] 图3是示出了从观看者一方观察到的所述实施方式的平视显示装置的主要部分 的示意性立体图；
[0031] 图4是示出了如何仅仅通过应用于该实施方式的二面角反射器阵列来形成图像 的示意性立体图；
[0032] 图5A和5B分别是示出了应用于所述实施方式的平视显示装置的二面角反射器阵 列的结构的具体实施例的示意性平面图和局部剖切立体图；
[0033] 图6是示出如何通过应用于所述实施方式的平视显示装置的二面角反射器阵列 形成图像的示意性平面图；
[0034] 图7是示出如何通过应用于所述实施方式的平视显示装置的二面角反射器阵列 形成图像的示意性侧视图；
[0035] 图8是示出如何通过半反射镜与应用于所述实施方式的平视显示装置的二面角 反射器阵列的组合形成图像的示意性平面图；
[0036] 图9是示出如何通过半反射镜与应用于所述实施方式的平视显示装置的二面角 反射器阵列的组合形成图像的示意性侧视图；
[0037] 图10至图12是示出从侧面观察到的根据本发明的相应其它实施方式的平视显示 装置的主要部分的示意性侧剖视图；
[0038] 图13是示出光束如何通过应用于根据本发明的另一实施方式的实镜像成像光学 系统的回射器阵列和回射器回射的示意性侧剖视图；
[0039] 图14A是示出应用于实镜像成像光学系统的回射器阵列的示意性局部平面图，图 14B是示出光束如何通过图14A中所示的回射器阵列中的示例性回射器回射的示意性局部 放大平面图；以及
[0040] 图15A是示出应用于实镜像成像光学系统的另一回射器阵列的示意性局部平面 图，图15B是示出光束如何通过图15A中所示的回射器阵列的示例性回射器被回射的示意 性局部放大平面图。

【具体实施方式】
[0041] 以下参照附图描述根据本发明实施方式的平视显示装置。
[0042] 图1是示出包括本发明实施方式的平视显示装置1的汽车之类的车辆仪表板及其 外围的示意性立体图。图2和图3分别是说明平视显示装置1的操作的示意性剖视图和立 体图。
[0043] 通过将本发明应用于在汽车司机座椅前方的仪表板2的上部（包括其上方空间： 观看者侧），使用挡风玻璃7作为反射屏，来制成平视显示装置1。具体地，平视显示装置1 具有二面角反射器阵列6,其作为被结合至仪表板2的上部的实镜像成像光学系统，并在仪 表板2的空间（仪表板的下方空间：观看对象侧）内布置观看对象4。在图2(a)中，自对 象4发出的光束被二面角反射器阵列6反射，然后被挡风玻璃7反射，以在挡风玻璃7前方 形成作为实镜像5的浮动图像5。换句话说，观看者中的司机可以在近于挡风玻璃7的空间 中看到浮动图像5。
[0044] 图2(b)示出了观看者可以看到在挡风玻璃7后方，即在车辆外的空间中的浮动图 像5的情形。图2 (a)和2 (b)所示情形的不同之处在于二面角反射器阵列6和对象4之间 的距离。图2(b)所示的情形具有比图2(a)中所示的更短的距离。如果二面角反射器阵列 6和对象4之间的距离短于二面角反射器阵列6和挡风玻璃7之间的距离，则观看对象的实 镜像5被形成在挡风玻璃7内侧的空间内，但观看者不能直接看到实镜像5,而是间接地感 知到由挡风玻璃7投射的虚像，如同在挡风玻璃7外侧的空间内的虚像的浮动图像5 7。
[0045] 如图3所示，如果平视显示装置在二面角反射器阵列6和对象4(例如液晶显示 装置）之间具有长距离，则在液晶显示装置的屏幕中显示的车速表的图片对象被投射为 在仪表板2的上方空间内的图片对象的图像5,其中所显示的图片被预先设定为倒置（图 2(a))。
[0046] 如图1至图3所示，本发明的平视显示装置1包括作为实镜像成像光学系统的二 面角反射器阵列6、以及布置在相对于二面角反射器阵列6来说观看者V所在的空间中（仪 表板2内侧）的对象4。所述显示装置还包括布置在相对于二面角反射器阵列6来说观看 者V所在空间中的挡风玻璃7。从对象4发出的各光束在被二面角反射器阵列6的二面角反 射器反射两次之后穿过二面角反射器阵列6,并由二面角反射器阵列6进一步反射，然后被 挡风玻璃7进一步反射，使得在观看者V的视线内形成作为实镜像的浮动图像5 (图2 (a))。 此外，挡风玻璃7被设定为关于二面角反射器阵列6具有适当倾斜角度，以将通过的光束引 向观看者V。也就是说，对象4、二面角反射器阵列6和挡风玻璃7被布置为使得从对象4 发出的光束由二面角反射器阵列6反射，然后被致使传播到挡风玻璃7。
[0047] 为详细说明上述关系，首先仅描述二面角反射器阵列6的结构和操作。接下来描 述通过增设反射屏实现的操作。
[0048] 如图4中示意性示出的，二面角反射器阵列6由多个二面角反射器61构成，这些 二面角反射器均具有两个正交的镜面61a和61b。与各二面角反射器61的两个镜面61a和 61b基本正交的平坦表面定义为元件表面6S。对象4的实像5形成在关于元件表面6S与 对象4面对称的位置处。在本实施方式中，与二面角反射器阵列6的整体尺寸（厘米量级） 相比，二面角反射器61相当小（微米量级）。在图4中，二面角反射器61的集合以灰色示 出，镜面限定的二面角由V形表示，示出其内角的取向，从而二面角反射器61在图中放大示 出。图5A是二面角反射器阵列6的示意平面图，图5B是二面角反射器阵列6的一部分的 立体图。在图5A和图5B中，与二面角反射器阵列6的整体相比，二面角反射器61和镜面 61a、61b非常夸大地示出。
[0049] 对于使各光束弯折并允许光束穿过的二面角反射器阵列6,可使用以下光学元件， 其中在平板状基板60的平坦表面中形成多个物理光学孔，使得这些孔沿厚度方向垂直穿 透基板60,其中各孔的内壁面中的两个正交内壁面形成为镜面61a和61b，从而使用各孔的 内壁面作为二面角反射器61。为了使基板60至少具有半透明属性，如图5A和图5B所示， 在薄的平板状基板60中形成多个在平面图中为大致矩形（例如，方形）的物理光学孔（例 如，其一边在从50 μ m至200 μ m的范围内），从而允许各光束穿过。接着，通过对各孔的两 个正交的相邻内壁面进行平滑化和镜面处理而形成镜面61a和61b。结果，提供了均具有作 为反射面的两个镜面61a和61b的二面角反射器61。优选的是，不对孔的不形成二面角反 射器61的某些内壁面进行镜面处理，使得它们不具有反射性，或者成角度，从而使它们不 会产生多重反射光束。还优选的是，二面角反射器61布置在规则排列的晶格点上，使得由 镜面61a和61b限定的内角在基板60上都沿相同方向定位。因此，各二面角反射器61的 两个正交镜面61a和61b的交线CL优选与兀件表面6S垂直。以下，将镜面61a和61b限 定的内角的方向称为二面角反射器61的取向（方向）。
[0050] 镜面61a和61b如下示意形成。首先，制备金属模具。然后，对内壁面进行处理， 使得该内壁面用作镜面61a和61b，所述处理例如纳米级切削处理、作为利用模具进行的纳 米级压制处理的纳米压印处理、或者电成型。对这样形成的镜面61a和61b进行处理，使得 其表面粗糙度等于或小于l〇nm，并使得它们一致地在可见光谱范围内起镜面作用。当基板 60利用铝或镍之类的金属通过电成型形成时，若模具的表面粗糙度充分小，则镜面61a和 61b为自然镜面。当利用纳米级压印处理施加树脂等作为基板60的材料时，应当通过溅镀 之类的处理进行镜面涂覆，以形成镜面61a和61b。通过将二面角反射器61中的相邻二面 角反射器之间的空间控制至其最小可行水平而增强透光度。优选的是对二面角反射器阵列 6的上表面（从观看者一方看到的表面）进行诸如利用低反射性材料进行涂覆之类的处理。 二面角反射器阵列6的结构不限于以上所述。可适当地采用二面角反射器阵列6的结构以 及形成该结构的方法，只要多个二面角反射器61均由两个正交的镜面61a和61b形成，并 且二面角反射器61均起用于允许各光束穿过的光学孔的作用即可。
[0051] 在构成二面角反射器阵列6的各二面角反射器61中，经由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，于是致 使其经由前侧穿过二面角反射器61。各光束进入二面角反射器61所沿的路径以及光束离 开二面角反射器61所沿的路径关于元件表面6S相互面对称。具体地说，假设元件表面6S 为经过各镜面高度的中部并正交于各镜面的表面，则元件表面6S为这样的对称平面，其中 对象4的形成为浮动图像（即实镜像5)的实像的位置关于该对称平面与对象4面对称。
[0052] 接下来与从作为观看对象的点光源〇发出的各光束的路径一起简单描述如何通 过二面角反射器阵列6形成图像。
[0053] 如图6的平面图或图7的侧视图示意示出的，在穿过二面角反射器阵列6时，从点 光源〇 (由带箭头的单点划线表示，该线在图6中以三维方式观看时在图上从后向前传播） 发出的光束均被各二面角反射器61的一个镜面61a(或61b)反射一次，并由另一个镜面 61b (或61a)进一步反射。接下来，反射的光束穿过元件表面6S (图7、图4和图5B)，然后 散射经过关于二面角反射器阵列6的元件表面6S与点光源〇面对称的点。入射光束和反 射光束在图6中被示为平行。其原因如下。在图6中，二面角反射器61与点光源〇相比被 夸大示出。然而，二面角反射器61的真实尺寸相当小。相应地，在从上方观看二面角反射 器阵列6时，入射光束和反射光束近似相互重叠。（在图6中，示出了最初落在各二面角反 射器61的两个镜面61a、61b上的光束的路径，即两条路径。在图7中，为避免混乱，仅示出 了最初落在任一镜面上的一条光束。）总之，光束会聚到关于兀件表面6S与点光源〇面对 称的位置，从而在图6和图7所示的位置p处形成实像。
[0054] 分别对应于图6和图7的图8和图9说明通过在观看者所在的空间内增设反射屏 8所实现的操作。尽管在图6中示出了最初落于各二面角反射器61的两个镜面61a、61b上 的光束的路径（即，示出了两条路径），但是在图8中为避免混乱仅示出了最初落在任一镜 面上的一条光束。基本原理如下。从点光源〇发出的各光束在其中一个二面角反射器61 处被反射两次后最初穿过该二面角反射器61。然后，由布置在朝观看者V传播的光束的路 径上的平面反射屏8致使反射的光束返回。结果，在位置p处形成实像。具体地说，在从二 面角反射器阵列6 -侧观看反射屏8时，图6和图7中所不的位置p处的实像与图8和图 9中所示的位置p处的实像之间的关系与对象（与图8和图9中所示的位置p处的实像相 对应）和虚像（在图8和图9中所示的位置〇 7处形成并与图6和图7中所示的位置p处 的实像相对应）之间的关系相同。图8中所示的反射屏8的位置（角度）设置为使得观看 者可以看到位置P的实镜像。如果使用挡风玻璃7代替反射屏8,则挡风玻璃7的倾斜角度 不能自由设置。因此，通过调整二面角反射器阵列6和对象4的位置关系，使得观看者可以 看到位置P的实镜像。
[0055] 进一步描述改变二面角反射器阵列6和对象4之间的距离的效果。
[0056] 图10说明了二面角反射器阵列6和对象4之间的距离短于二面角反射器阵列6 和反射屏8之间的距离的情况。在此情况下，在二面角反射器阵列6和反射屏8之间的空 间内形成实镜像5,使得观看者可以看到作为由反射屏8反射形成的虚像5 '的实镜像。
[0057] 如图10所示，从对象4发出的各光束在被二面角反射器阵列6反射两次之后穿过 二面角反射器阵列6。接着，在与对象4关于二面角反射器阵列6对称的位置处，对象4的 实像形成为浮动的实像，即实镜像5。观看者V不能直接看到实镜像5。观看者V看到由反 射屏8从镜像5反射的结果虚像5 '。也就是说，观看者V看到在反射屏8后方（在反射 面后方的空间内；另选地在使用挡风玻璃7代替反射屏8时在车辆外侧）形成的浮动图像 5'，其为镜像5的虚像。
[0058] 此外，在图11中描述了这样的情形，即二面角反射器阵列6和对象4之间的距离 近似等于二面角反射器阵列6和反射屏8之间的距离，从而在反射屏8处形成实镜像5。如 图11所示，在此情况下，由于对象4具有一定的有限尺寸，所以观看者既看到实镜像的实像 5也看到由反射屏8形成的虚像5'。
[0059] 从对象4发出的各光束在被二面角反射器阵列6反射两次之后穿过二面角反射器 阵列6。接着，在关于二面角反射器阵列6与对象4对称的位置处，对象4的实像形成为浮 动图像，即镜像。在当前实施方式中，反射屏8布置在浮动图像的中心附近。因此，观看者V 以实像5看到对象的远离二面角反射器阵列6的部分，同时以虚像5 '看到对象的靠近二 面角反射器阵列6的部分。也就是说，若反射屏8布置成与对象的实像5交叉，则观看者V 看到在反射屏8的镜面中穿透的空间图像。
[0060] 如以上所述，通过以各种方式改变对象4、二面角反射器阵列6和反射屏8的布置， 在反射屏8的镜面的前方或后方，或者在反射屏8的镜面上形成提供给观看者V的空间图 像（作为在镜面中穿透的图像）。
[0061] 为了积极利用该特征的优点，可随时间改变其间的位置关系。图12示出了又一实 施方式，其中利用诸如导轨、电机和齿轮齿条或蜗杆螺母引导机构的组合之类的引导输送 机构RP使观看对象沿该对象与实镜像成像光学系统的连线以机械方式运动。
[0062] 如图12所示，观看对象4附连至沿与光轴AX平行的导轨G滑动行进的滑动部件， 使得对象的空间图像可沿观看者V的视线（沿光轴AX)移动。对象4可通过电机Μ和引导 输送机构RP线性运动。作为实施例，当观看对象4b远离二面角反射器阵列6时，在反射屏 8和观看者V之间的空间中形成实像。在这种情况下，观看者V看到由此形成的实像5。当 对象4靠近二面角反射器阵列6时，在反射屏8与二面角反射器阵列6之间的空间中形成实 像。在这种情况下，观看者V看到在反射屏8中形成的虚像5'。因而，若使用用于使观看 对象、二面角反射器阵列6和反射屏8之间的位置关系随时间变化的装置，则观看者V能看 到在反射屏8的镜面前方的空间和反射屏8的镜面后方的空间之间连续移动的空间图像。
[0063] 假定，作为标准，在反射屏8上的确定点A和在实镜像成像光学系统6上的另一确 定点B之间具有预定空间距离（图12示出了点A和点B之间的距离），并且光轴包括与反 射屏8上的点A关于元件表面6S面对称的位置（即图12所示的光轴上的位置C)，因此距 离A-B等于距离B-C。在此情况下，在特定光轴上具有三种情形，S卩：第一，对象4和实镜像 成像光学系统6之间的距离短于点A和点B之间的距离；第二，该特定距离等于点A和点B 之间的距离；第三，该特定距离大于点A和点B之间的距离。如果选择性变化观看对象4的 位置，使其满足所述三个条件中的至少两个条件，则司机可以感知到观看对象关于反射屏 (挡风玻璃）的图像位置具有位置变化，所述图像位置例如在车辆内（实像）或在车辆外 (虚像）或者在挡风玻璃处（实像和虚像结合的、穿透的观看对象图像）。因此，除了如图 12所示的连续变化的方式之外，观看对象的位置可以以从以下情形之中选出至少两种情形 的方式选择性地变化，所述情形包括所见图像被布置为与反射屏交叉、所见图像是在反射 屏内的虚像、以及所见图像是在反射屏外的实像。
[0064] 若成行布置LED之类的多个紧凑光源（未示出）作为观看对象，并依次打开以控 制光源，则观看者可在不存在观看对象自身的必要实际运动的情况下看到空间图像的类似 运动。
[0065] 图13示意性示出了应用本发明的平视显示装置的又一实施方式。平视显示装置 r与上述实施方式的平视显示装置1的不同之处仅在于实镜像成像光学系统。因此，平视 显示装置r的与平视显示装置1相同的结构元件以相同术语描述，并采用相同附图标记。
[0066] 使半反射镜91和回射器阵列92相结合而形成适于当前实施方式的实镜像成像光 学系统9。半反射镜91的表面具有用作对称平面的元件表面91S。观看对象4布置在关于 半反射镜91与观看者V相对的空间中（仪表板的内侧空间）。回射器阵列92也布置在与 观看者V相对的空间中。挡风玻璃7布置仪表板的上表面上（观看者V所在的空间）。从 对象4发出的各光束由半反射镜91反射，然后引向回射器阵列92。回射器阵列92起致使 来自半反射镜91的各光束回射的作用。因此，引导至回射器阵列92的光束返回半反射镜 91。在经过半反射镜91之后，光束传播至布置在观看者V所在的空间中的挡风玻璃7。接 下来，通过挡风玻璃7使光束返回，使得在观看者V的视线内的空间中形成实像5。适当设 定挡风玻璃7的角度，使得来自半反射镜91的各光束可被引向观看者V。
[0067] 同样可通过利用薄反射膜涂覆例如由透明树脂或玻璃制成的透明薄板的一个表 面而制成半反射镜91。对透明薄板的相对表面进行防反射处理（S卩，AR涂覆），从而防止 要看到的实像5成为重像。此外，可在半反射镜91的上表面上附连起可见性控制膜或视角 控制膜之类的作用的光学薄膜（未示出）作为视线控制装置，其中可见性控制膜仅漫射沿 特定方向的光束，视角控制膜可仅切断沿特定方向的光束，但是二者都允许沿其它特定方 向的光传播。具体地说，这样的光学薄膜防止光束在直接穿过半反射镜91之后到达除观看 者V的视点以外的位置，使得在挡风玻璃7中反射的观看对象的图像不能通过半反射镜91 在除观看者V的视点之外的任何位置直接看到。然而，光学薄膜同样仅允许在被半反射镜 91 一次反射并被回射器阵列92回射之后沿从回射器阵列92至半反射镜91的方向传播的 光束透过，如下文所述，使得从观看者V的视点仅可看到实像5。
[0068] 然而，回射器阵列92可为任意类型，只要其严格致使入射光束回射即可。可通过 向材料表面施加回射性材料或回射性涂层而形成回射器阵列92。此外，回射器阵列92可具 有弯曲表面或平坦表面。图14A是以放大方式示出回射器阵列92的一部分的前视图。图 14A中所示的回射器阵列92为角锥阵列，该阵列为均利用立方体的其中一个内角的角锥的 集合。回射器92A为由规则的一组角锥组成的角锥阵列，每一个角锥作为立方体的一个内 角而获得。通过使在公共点处接合的形状和尺寸相同的等腰直角三角形形状的三个镜面 92Aa、92Ab和92Ac聚集而形成各回射器92A，回射器92A在从前方观看时为等边三角形；这 三个镜面92Aa、92Ab和92Ac相互正交而形成一个公共角锥（图14B)。
[0069] 图15A也是以放大方式示出回射器阵列92的一部分的前视图。图15A中所示的回 射器阵列92也是作为均利用立方体的其中一个内角的角锥的规则集合的角锥阵列。回射 器92B在从前方观看时均具有正六边形形状，该正六边形形状由在公共点处接合的形状和 尺寸相同的三个方形镜面92Ba、92Bb和92Bc聚集而形成。这三个镜面92Ba、92Bb和92Bc 相互正交（图15B)。
[0070] 尽管在图14A和图15A中所示的回射器阵列92的形状不同，但是其回射原理相 同。图14B和图15B分别说明了图14A和图15A中所示的回射器阵列92的回射原理。进 入回射器92A或92B的其中一个镜面（例如，92Aa或92Ba)的光束被不同的镜面（92Ab或 92Bb)和另一镜面（92Ac或92Bc)依次反射。因此，光束被反射回其进入回射器92A或92B 所在的位置。进入回射器阵列92的光束的路径与离开回射器阵列92的光束的路径并不重 叠，而是在严格意义上相互平行。若回射器92A或92B与回射器阵列92相比充分小，则入 射光束的路径和出射光束的路径可视为相互重叠。这两种角锥阵列在以下方面彼此不同。 镜面成等腰三角形形式的角锥阵列相对易于制造，但是反射率稍低，而镜面成方形形式的 角锥阵列相对难以制造，但是反射率高。
[0071] 可使用上述角锥阵列的另选方式作为回射器阵列92,只要该另选方式（广义上称 为"角反射器"）利用三个镜面引起光束回射即可。虽然这里未示出，例如，在实施方式中应 用的示例性单元式回射器具有三个镜面，其中两个相互正交，另一个相对于其它两个成90/ N(N为整数）度角。单元式回射器的另一实施例为具有三个镜面的锐角回射器，其中镜面 中的相邻镜面之间限定的角为90度、60度和45度。还可应用猫眼回射器作为单元式回射 器。这些回射器阵列可以是平面的、弯曲的或者翘曲的。可适当确定回射器阵列的位置，只 要从观看对象发出并被半反射镜91反射的光束被回射器阵列回射即可。
[0072] 在具有半反射镜91和回射器阵列92的平视显示装置1 '中，与具有二面角反射 器阵列的平视显示装置1中类似，实像5被视为在沿相对于半反射镜91的镜面倾斜的方向 上的观看者视线内的空间中浮动的图像。平视显示装置广还可通过改变待形成的图像的 显示位置或者通过改变要看到的图像的尺寸而对实像5进行变化。
[0073] 在不背离本发明目的的情况下可对显示装置的各构成部分的具体结构进行适当 改变。作为实施例，将本发明应用于平视显示装置，以在平视显示装置的显示部前方的空间 中形成浮动图像。
[0074] 本发明可应用为用于广告目的的显示装置，并可应用为在车辆中使用的信息显示 装直。
[0075] 应理解，以上描述和附图阐述了本发明的当前优先实施方式。在不背离所公开的 发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员根据以上教导当然会清楚各种修改、增添和 另选设计。因而，应理解本发明不限于所公开的实施方式，而是可在所附权利要求的整个范 围内实施。
[0076] 本申请基于2009年9月28日提交的在先日本专利申请No. 2009-222342并要求 其优先权，将该专利申请的全部内容通过援引并入本说明书中。
【权利要求】
1. 一种置于仪表板的上表面上的平视显示装置，该平视显示装置包括： 布置在所述仪表板的内侧空间内的观看对象； 实镜像成像光学系统，该实镜像成像光学系统用于限定观看者所在的空间和所述仪表 板的所述内侧空间，该实镜像成像光学系统包括具有对称平面的半透明基板，该实镜像成 像光学系统利用穿过所述基板的光线在所述观看者的所述空间内形成所述观看对象的实 像，其中所述实镜像成像光学系统是起二面角反射器作用的光学元件；以及 在所述观看者的所述空间内布置的反射屏，该反射屏反射所述实镜像成像光学系统提 供的所述观看对象的所述实像的光束，以将反射光束引导至所述观看者，同时允许形成待 由所述观看者看到的图像。
2. 根据权利要求1所述的平视显示装置，其中所述反射屏是挡风玻璃。
3. 根据权利要求1所述的平视显示装置，其中所述反射屏附着至挡风玻璃的表面。
4. 根据权利要求1所述的平视显示装置，其中所述基板与所述仪表板形成为结合体。
5. 根据权利要求1所述的平视显示装置，其中所述基板的表面被与所述仪表板相同的 颜色着色。
【文档编号】G02B27/01GK104090369SQ201410376907
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2010年9月28日 优先权日:2009年9月28日
【发明者】杉山贵 申请人:斯坦雷电气株式会社