專利名稱：平視顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種顯示裝置，其作為為車輛中的司機顯示信息的裝置，具體而言涉 及一種平視顯示裝置。
背景技術：
在諸如汽車的車輛中，經(jīng)由在儀表板上安裝的所謂儀表群(儀表盤)中的例如 車速表、轉速計等給予司機各種顯示的儀表信息，諸如速度、發(fā)動機轉數(shù)等。目前，可以使 用平視顯示裝置將這些信息顯示在儀表板上方的擋風玻璃上(例如日本專利申請?zhí)亻_平 09-15555 號公報)。
在特開平09-15555號公報中所述的平視顯示裝置中，司機看到在擋風玻璃上反 射的顯示圖像的虛像。因此，司機感知到在關于擋風玻璃與其相對一側的空間內，即在車輛 外側的顯示圖像。
通常，所看到的顯示圖像的位置取決于觀看對象和擋風玻璃之間的距離和位于它 們之間的鏡面的曲率半徑?？傊緳C會看到在車輛外側的顯示圖像(擋風玻璃外側)，但 根本不能感知到在車輛內側(擋風玻璃內側)的顯示圖像。
如上所述，即使使用利用虛像的常規(guī)平視顯示裝置，也不能夠為司機提供在擋風 玻璃外側(車輛外側)和內側(車輛內側)的兩個空間內都顯示的任何圖像。發(fā)明內容
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種平視顯示裝置，該平視顯示裝置能夠 在自由設置顯示圖像相對于擋風玻璃的位置(進深)的同時，顯示生動的圖像。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種置于儀表板的上表面上的平視顯示裝置，該平視顯示裝 置的特征在于包括布置在所述儀表板的內側空間內的觀看對象；實鏡像成像光學系統(tǒng)， 該實鏡像成像光學系統(tǒng)用于限定觀看者所在的空間和所述儀表板的所述內側空間，該實鏡 像成像光學系統(tǒng)包括具有對稱平面的半透明基板，該實鏡像成像光學系統(tǒng)利用穿過所述基 板的光線在所述觀看者的空間內形成所述觀看對象的實像；以及在所述觀看者的空間內布 置的反射屏，該反射屏反射所述實鏡像成像光學系統(tǒng)提供的所述觀看對象的所述實像的光 線，以將反射光束引導至觀看者，同時允許形成待由觀看者看到的圖像。
例如，本發(fā)明實現(xiàn)了一種平視顯示裝置，該平視顯示裝置能夠將待由觀看者看到 的圖像顯示在擋風玻璃的外側(車輛外)和內側(車輛內)的兩個空間內。具體地說，這一 實現(xiàn)通過一種平視實現(xiàn)裝置來完成，該平視顯示裝置包括實鏡像成像光學系統(tǒng)，該實鏡像 成像光學系統(tǒng)位于車輛儀表板的上表面上，以在觀看者的空間內形成觀看對象的實像(實 鏡像)；用于所述實像(實鏡像)的觀看對象，該觀看對象位于與實鏡像成像光學系統(tǒng)的觀 看者側相對的空間內；以及反射屏，該反射屏布置在與觀看者相同的空間內，以部分反射實 鏡像成像光學系統(tǒng)提供的光，從而將反射光引向觀看者。
本發(fā)明實施為這樣的平視顯示裝置，其中擋風玻璃用作所述反射屏，并且另選地，所述反射屏形成在擋風玻璃的表面上。
本發(fā)明還實施為所述反射屏附著至擋風玻璃的表面。
若觀看對象和實鏡像成像光學系統(tǒng)之間的距離短于反射屏(擋風玻璃)和實鏡 像成像光學系統(tǒng)之間的距離，則司機看到的觀看對象的圖像為在反射屏(擋風玻璃)外 側(車輛外)的虛像。相反地，若觀看對象和實鏡像成像光學系統(tǒng)之間的距離大于反射屏 (擋風玻璃)和實鏡像成像光學系統(tǒng)之間的距離，則司機看到的觀看對象的圖像為在反射 屏(擋風玻璃)內側(車輛內)的實像。因此，所述平視顯示裝置還可以包括用于改變所 述觀看對象相對于所述實鏡像成像光學系統(tǒng)的位置的裝置。所述平視顯示裝置還可以包括 用于沿著連接所述觀看對象和所述實鏡像成像光學系統(tǒng)的線移動所述觀看對象的裝置。
換句話說，根據(jù)觀看對象和實鏡像成像光學系統(tǒng)之間的距離，司機以視覺方式感 知觀看對象的圖像相對于反射屏(例如擋風玻璃)的位置在車輛內或車輛外，以及另選地， 在擋風玻璃上(觀看對象的圖像穿透時)。因此，在所述平視顯示裝置中，觀看對象的位置 以從以下情形中選出至少兩種情形的方式來變化，所述情形包括所見圖像被布置為與所述 反射屏交叉、所見圖像是在所述反射屏內的虛像、以及所見圖像是在所述反射屏外的實像。 優(yōu)選地，以如下方式來選擇性地使用觀看對象，即將多個觀看對象定位在多個位置處，從 而控制觀看對象和實鏡像成像光學系統(tǒng)之間的距離。
存在另一種方式來控制觀看對象和實鏡像成像光學系統(tǒng)之間的距離，即沿著連 接所述觀看對象和所述實鏡像成像光學系統(tǒng)的線移動觀看對象的裝置。在此情況下，觀看 對象的移動距離被設定在這樣的范圍內，在該范圍內觀看者(司機)既可以看到由實鏡像 成像光學系統(tǒng)和反射屏形成的實像，也可以看到基于由實鏡像成像光學系統(tǒng)形成的實像由 反射屏形成的虛像。
優(yōu)選地，在所述平視顯示裝置中，所述實鏡像成像光學系統(tǒng)的所述基板與所述儀 表板形成結合體。還優(yōu)選地，在所述平視顯示裝置中，所述基板的表面被與所述儀表板相同 的顏色著色。
為了通過各二面角反射器使各光束適當彎折并允許光束穿過元件表面，使用在光 學孔貫通元件表面所沿的方向上限定的光學孔內壁作為二面角反射器陣列的二面角反射 器的相應鏡面。這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確定的 形狀。作為實施例，這些光學孔可不分開，而是可相互接合。
簡單來說，二面角反射器陣列由與元件表面基本垂直并布置在元件表面上的多個 鏡面構成。就結構而言要考慮的是鏡面如何固定地支撐在元件表面上。作為形成鏡面的示 例性具體方式，將用于限定預定空間的基板設置成具有這樣的平面，在該平面中將二面角 反射器陣列布置成元件表面，然后使用各光學孔的內壁作為各二面角反射器的鏡面，其中 光學孔被制成貫通元件表面。基板中形成的這些孔僅需要是透明的，以允許相應光束穿過。 作為實施例，這些孔可以是真空的?；蛘?，這些孔可填充有透明氣體或透明液體。各孔的形 狀可任意確定，只要這些孔均在它的作為單元式光學元件的內壁上具有一個鏡面，或者不 位于同一平面上的兩個或更多個這樣的鏡面，并允許由鏡面反射的各光束穿過對應的孔即 可。這些孔可以相接合，或者可由于部分缺失而具有復雜結構。作為另一實施例，多個不同 的獨立鏡面一起立在基板的表面上。在這種情況下，應當理解，基板中形成的孔相互接合。
此外，二面角反射器可利用透明玻璃或樹脂之類的固體物質形成為具有棱柱狀或筒狀形狀作為光學孔。在各筒狀構件由固體物質形成的情況下，筒狀構件可布置成相互靠 近而起元件的支持構件作用。而且，若二面角反射器陣列具有基板，則筒狀構件可從基板的 表面伸出。筒狀構件的形狀也可任意確定，只要筒狀構件均在其內壁上具有一個鏡面，或者 允許筒狀構件作為二面角反射器的、不位于同一平面上的兩個或更多個這樣的鏡面，并允 許由鏡面反射的各光束從其穿過即可。盡管稱為筒狀構件，但是它們可以接合，或者可以因 部分缺失而為復雜結構。
應當考慮光學孔的形狀，其中所有相鄰內壁面是正交的，如立方體或長方體中一 樣。在這種情況下，可最小化相鄰二面角反射器之間的間隙，從而可實現(xiàn)高度密集的布置。 優(yōu)選的是，防止由除二面角反射器的面向觀看對象的表面之外的表面進行反射。
在其中二面角反射器具有多個內鏡面的情況下，一部分透射光可發(fā)生多重反射， 即穿過孔的光束可發(fā)生多次多重反射或超過假定反射的多重反射。就應對這些多重反射的 對策而言，若在光學孔的內壁上形成兩個相互正交的鏡面，則以下述方式防止這樣的多重 反射。在一個方式中，可將除這兩個鏡面以外的表面制成非鏡面以防止由該表面進行光束 反射。在另一方式中，可使除這些鏡面以外的表面相對于元件表面傾斜，從而使其可不正交 于元件表面，或者可使其彎曲。在任一方式中，可減少或防止產(chǎn)生反射三次或更多次的多重 反射光束。為形成非鏡面，可使用以下構造，其中目標表面可涂覆有防反射涂層或薄膜，另 選的是可增大目標表面的表面粗糙度以在目標表面上引起漫反射。此外，透明平坦基板的 存在并不妨礙光學元件的功能，因此可使用任何適當基板作為支撐構件和/或保護構件。
為了提高待投射的實像的亮度水平，期望的是，布置在元件表面上的多個二面角 反射器盡可能相互靠近。作為實施例，二面角反射器的晶格布置是有效的。這樣布置的優(yōu)點 在于使顯示裝置易于制造。各二面角反射器的鏡面可以是用于引起光束反射并由金屬或樹 脂之類的有光澤的物質制成的平坦表面，所述物質無論是固體還是液體均可。二面角反射 器的鏡面也可使得其在不同折射率的透明介質之間的平坦邊界界面處反射或全反射。在對 鏡面使用全內反射的情況下，由多個多重鏡面引起的不期望多重反射很有可能會超過全內 反射的臨界角，因此期望這些不期望的多重反射會自然受到抑制。此外，鏡面可只形成在光 學孔的內壁的有限部分上，或者可由平行布置的多個單元鏡面構成，只要各鏡面無問題地 執(zhí)行其功能即可。就后一方式而言，換言之，由單元鏡面形成鏡面意味著可將鏡面分成多個 單元鏡面。在這種情況下，這些單元鏡面并不必須位于同一平面上，但是是平行的。此外， 這些單元鏡面可相互接觸，或者可相互隔開。
可作為實鏡像成像光學系統(tǒng)應用于本發(fā)明的另一具體實施例是這樣一種光學系 統(tǒng)，該光學系統(tǒng)包括用于引起光束回射的回射器陣列以及具有用于反射光束并致使光束從 其穿過的半反射鏡表面的半反射鏡。在該實鏡像成像光學系統(tǒng)中，半反射鏡表面起對稱平 面作用，并且回射器陣列布置在可引起從觀看對象發(fā)出并由半反射鏡反射或穿過半反射鏡 的光束回射的位置。相對于半反射鏡來說，回射器陣列僅布置在與觀看對象相同側的空間 中?；厣淦麝嚵械奈恢檬沟糜砂敕瓷溏R反射的光束被回射器陣列回射。這里作為回射器 的操作的術語“回射”是這樣一種現(xiàn)象，在該現(xiàn)象中各反射光束被反射回其來處(或反向反 射)，從而入射光束和反射光束相互平行并沿相反方向。對多個回射器進行排列而構成回射 器陣列。若各回射器的尺寸充分小，則入射光束的路徑和反射光束的路徑視為重疊。回射 器陣列的回射器不需位于平坦表面上，而是可位于彎曲表面上。此外，這些回射器不需位于同一平面上，而是可以以三維方式散開。此外，半反射鏡具有用于致使光束從其穿過和反射 光束兩種功能。理想的是，半反射鏡的透射率和折射率之比為1 1。
可利用由三個相鄰鏡面構成的回射器(廣義上稱為“角反射器”)。另選的是，可 使用貓眼回射器作為所述回射器。作為一個實施例，角反射器由相互正交的三個鏡面構成。 作為另一實施例，角反射器具有三個相鄰的鏡面，由這些鏡面限定的角中的兩個角均為90 度，另一角為90/N(其中N為整數(shù))度。作為再一實施例，角反射器還是具有三個鏡面的銳 角回射器，其中由三個鏡面限定的角分別為90度、60度和45度。
若使用包括上述回射器陣列和半反射鏡的實鏡像成像光學系統(tǒng)，則從觀看對象發(fā) 出的部分光束被半反射鏡表面發(fā)射。然后，反射光被回射器陣列回射而在所有情況下返回 其來處，然后穿過半反射鏡表面。結果，形成對象的圖像。因此，只要回射器陣列位于允許 接收來自半反射鏡的反射光束即可，回射器陣列的形狀和位置不受限制。沿與穿過半反射 鏡表面的光束相反的方向看到由此形成的實像。
觀看對象的實施例是固定顯示的指示，例如氖燈信號，或者固定顯示在顯示面板 上的指示(例如，由光源構成的應急燈和顯示面板)。觀看對象的另一實施例是顯示在諸如 液晶顯示器、CRT顯示器和有機EL顯示器之類的電子顯示器的顯示面上的圖像。觀看對象 的又一實施例是通過成行布置LED之類的緊湊光源并控制發(fā)光位置而給出的陣列光源。
根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)了一種平視顯示裝置，該平視顯示裝置能夠在自由設定顯示圖 像相對于擋風玻璃的位置(進深)的同時，顯示生動的圖像。


結合附圖，本發(fā)明的上述方面和其他特征在以下描述中說明，附圖中
圖1是示出了適于帶有本發(fā)明的實施方式的平視顯示裝置的車輛的一部分內部 部件的示意性立體圖2是示出了從側面觀察到的所述實施方式的平視顯示裝置的主要部分的示意 性側剖視圖3是示出了從觀看者一方觀察到的所述實施方式的平視顯示裝置的主要部分 的示意性立體圖4是示出了如何僅僅通過應用于該實施方式的二面角反射器陣列來形成圖像 的示意性立體圖5A和5B分別是示出了應用于所述實施方式的平視顯示裝置的二面角反射器陣 列的結構的具體實施例的示意性平面圖和局部剖切立體圖6是示出如何通過應用于所述實施方式的平視顯示裝置的二面角反射器陣列 形成圖像的示意性平面圖7是示出如何通過應用于所述實施方式的平視顯示裝置的二面角反射器陣列 形成圖像的示意性側視圖8是示出如何通過半反射鏡與應用于所述實施方式的平視顯示裝置的二面角 反射器陣列的組合形成圖像的示意性平面圖9是示出如何通過半反射鏡與應用于所述實施方式的平視顯示裝置的二面角 反射器陣列的組合形成圖像的示意性側視圖；6
圖10至圖12是示出從側面觀察到的根據(jù)本發(fā)明的相應其它實施方式的平視顯示 裝置的主要部分的示意性側剖視圖13是示出光束如何通過應用于根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的實鏡像成像光學 系統(tǒng)的回射器陣列和回射器回射的示意性側剖視圖14A是示出應用于實鏡像成像光學系統(tǒng)的回射器陣列的示意性局部平面圖，圖 14B是示出光束如何通過圖14A中所示的回射器陣列中的示例性回射器回射的示意性局部 放大平面圖；以及
圖15A是示出應用于實鏡像成像光學系統(tǒng)的另一回射器陣列的示意性局部平面 圖，圖15B是示出光束如何通過圖15A中所示的回射器陣列的示例性回射器被回射的示意 性局部放大平面圖。
具體實施方式
以下參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施方式的平視顯示裝置。
圖1是示出包括本發(fā)明實施方式的平視顯示裝置1的汽車之類的車輛儀表板及其 外圍的示意性立體圖。圖2和圖3分別是說明平視顯示裝置1的操作的示意性剖視圖和立 體圖。
通過將本發(fā)明應用于在汽車司機座椅前方的儀表板2的上部(包括其上方空間 觀看者側)，使用擋風玻璃7作為反射屏，來制成平視顯示裝置1。具體地，平視顯示裝置1 具有二面角反射器陣列6，其作為被結合至儀表板2的上部的實鏡像成像光學系統(tǒng)，并在儀 表板2的空間(儀表板的下方空間觀看對象側)內布置觀看對象4。在圖2(a)中，自對 象4發(fā)出的光束被二面角反射器陣列6反射，然后被擋風玻璃7反射，以在擋風玻璃7前方 形成作為實鏡像5的浮動圖像5。換句話說，觀看者中的司機可以在近于擋風玻璃7的空間 中看到浮動圖像5。
圖2(b)示出了觀看者可以看到在擋風玻璃7后方，即在車輛外的空間中的浮動圖 像5的情形。圖2 (a)和2 (b)所示情形的不同之處在于二面角反射器陣列6和對象4之間 的距離。圖2(b)所示的情形具有比圖2(a)中所示的更短的距離。如果二面角反射器陣列 6和對象4之間的距離短于二面角反射器陣列6和擋風玻璃7之間的距離，則觀看對象的實 鏡像5被形成在擋風玻璃7內側的空間內，但觀看者不能直接看到實鏡像5，而是間接地感 知到由擋風玻璃7投射的虛像，如同在擋風玻璃7外側的空間內的虛像的浮動圖像5'。
如圖3所示，如果平視顯示裝置在二面角反射器陣列6和對象4(例如液晶顯示 裝置)之間具有長距離，則在液晶顯示裝置的屏幕中顯示的車速表的圖片對象被投射為 在儀表板2的上方空間內的圖片對象的圖像5，其中所顯示的圖片被預先設定為倒置(圖 2(a))。
如圖1至圖3所示，本發(fā)明的平視顯示裝置1包括作為實鏡像成像光學系統(tǒng)的二 面角反射器陣列6、以及布置在相對于二面角反射器陣列6來說觀看者V所在的空間中(儀 表板2內側)的對象4。所述顯示裝置還包括布置在相對于二面角反射器陣列6來說觀看 者V所在空間中的擋風玻璃7。從對象4發(fā)出的各光束在被二面角反射器陣列6的二面角反 射器反射兩次之后穿過二面角反射器陣列6，并由二面角反射器陣列6進一步反射，然后被 擋風玻璃7進一步反射，使得在觀看者V的視線內形成作為實鏡像的浮動圖像5 (圖2 (a))。此外，擋風玻璃7被設定為關于二面角反射器陣列6具有適當傾斜角度，以將通過的光束引 向觀看者V。也就是說，對象4、二面角反射器陣列6和擋風玻璃7被布置為使得從對象4 發(fā)出的光束由二面角反射器陣列6反射，然后被致使傳播到擋風玻璃7。
為詳細說明上述關系，首先僅描述二面角反射器陣列6的結構和操作。接下來描 述通過增設反射屏實現(xiàn)的操作。
如圖4中示意性示出的，二面角反射器陣列6由多個二面角反射器61構成，這些 二面角反射器均具有兩個正交的鏡面61a和61b。與各二面角反射器61的兩個鏡面61a和 61b基本正交的平坦表面定義為元件表面6S。對象4的實像5形成在關于元件表面6S與 對象4面對稱的位置處。在本實施方式中，與二面角反射器陣列6的整體尺寸(厘米量級) 相比，二面角反射器61相當小(微米量級)。在圖4中，二面角反射器61的集合以灰色示 出，鏡面限定的二面角由V形表示，示出其內角的取向，從而二面角反射器61在圖中放大示 出。圖5A是二面角反射器陣列6的示意平面圖，圖5B是二面角反射器陣列6的一部分的 立體圖。在圖5A和圖5B中，與二面角反射器陣列6的整體相比，二面角反射器61和鏡面 61a、61b非?？浯蟮厥境觥?br> 對于使各光束彎折并允許光束穿過的二面角反射器陣列6，可使用以下光學元件， 其中在平板狀基板60的平坦表面中形成多個物理光學孔，使得這些孔沿厚度方向垂直穿 透基板60，其中各孔的內壁面中的兩個正交內壁面形成為鏡面61a和61b，從而使用各孔的 內壁面作為二面角反射器61。為了使基板60至少具有半透明屬性，如圖5A和圖5B所示， 在薄的平板狀基板60中形成多個在平面圖中為大致矩形(例如，方形)的物理光學孔(例 如，其一邊在從50 μ m至200 μ m的范圍內)，從而允許各光束穿過。接著，通過對各孔的兩 個正交的相鄰內壁面進行平滑化和鏡面處理而形成鏡面61a和61b。結果，提供了均具有作 為反射面的兩個鏡面61a和61b的二面角反射器61。優(yōu)選的是，不對孔的不形成二面角反 射器61的某些內壁面進行鏡面處理，使得它們不具有反射性，或者成角度，從而使它們不 會產(chǎn)生多重反射光束。還優(yōu)選的是，二面角反射器61布置在規(guī)則排列的晶格點上，使得由 鏡面61a和61b限定的內角在基板60上都沿相同方向定位。因此，各二面角反射器61的 兩個正交鏡面61a和61b的交線CL優(yōu)選與元件表面6S垂直。以下，將鏡面61a和61b限 定的內角的方向稱為二面角反射器61的取向(方向)。
鏡面61a和61b如下示意形成。首先，制備金屬模具。然后，對內壁面進行處理， 使得該內壁面用作鏡面61a和61b，所述處理例如納米級切削處理、作為利用模具進行的納 米級壓制處理的納米壓印處理、或者電成型。對這樣形成的鏡面61a和61b進行處理，使得 其表面粗糙度等于或小于lOnm，并使得它們一致地在可見光譜范圍內起鏡面作用。當基板 60利用鋁或鎳之類的金屬通過電成型形成時，若模具的表面粗糙度充分小，則鏡面61a和 61b為自然鏡面。當利用納米級壓印處理施加樹脂等作為基板60的材料時，應當通過濺鍍 之類的處理進行鏡面涂覆，以形成鏡面61a和61b。通過將二面角反射器61中的相鄰二面 角反射器之間的空間控制至其最小可行水平而增強透光度。優(yōu)選的是對二面角反射器陣列 6的上表面(從觀看者一方看到的表面)進行諸如利用低反射性材料進行涂覆之類的處理。 二面角反射器陣列6的結構不限于以上所述?？蛇m當?shù)夭捎枚娼欠瓷淦麝嚵?的結構以 及形成該結構的方法，只要多個二面角反射器61均由兩個正交的鏡面61a和61b形成，并 且二面角反射器61均起用于允許各光束穿過的光學孔的作用即可。8
在構成二面角反射器陣列6的各二面角反射器61中，經(jīng)由后側進入對應孔的光束 被一個鏡面61a (或61b)反射。反射的光束被另一鏡面61b (或61a)進一步反射，于是致 使其經(jīng)由前側穿過二面角反射器61。各光束進入二面角反射器61所沿的路徑以及光束離 開二面角反射器61所沿的路徑關于元件表面6S相互面對稱。具體地說，假設元件表面6S 為經(jīng)過各鏡面高度的中部并正交于各鏡面的表面，則元件表面6S為這樣的對稱平面，其中 對象4的形成為浮動圖像(即實鏡像5)的實像的位置關于該對稱平面與對象4面對稱。
接下來與從作為觀看對象的點光源ο發(fā)出的各光束的路徑一起簡單描述如何通 過二面角反射器陣列6形成圖像。
如圖6的平面圖或圖7的側視圖示意示出的，在穿過二面角反射器陣列6時，從點 光源o(由帶箭頭的單點劃線表示，該線在圖6中以三維方式觀看時在圖上從后向前傳播) 發(fā)出的光束均被各二面角反射器61的一個鏡面61a(或61b)反射一次，并由另一個鏡面 61b (或61a)進一步反射。接下來，反射的光束穿過元件表面6S (圖7、圖4和圖5B)，然后 散射經(jīng)過關于二面角反射器陣列6的元件表面6S與點光源ο面對稱的點。入射光束和反 射光束在圖6中被示為平行。其原因如下。在圖6中，二面角反射器61與點光源0相比被 夸大示出。然而，二面角反射器61的真實尺寸相當小。相應地，在從上方觀看二面角反射 器陣列6時，入射光束和反射光束近似相互重疊。(在圖6中，示出了最初落在各二面角反 射器61的兩個鏡面61a、61b上的光束的路徑，即兩條路徑。在圖7中，為避免混亂，僅示出 了最初落在任一鏡面上的一條光束。)總之，光束會聚到關于元件表面6S與點光源ο面對 稱的位置，從而在圖6和圖7所示的位置ρ處形成實像。
分別對應于圖6和圖7的圖8和圖9說明通過在觀看者所在的空間內增設反射屏 8所實現(xiàn)的操作。盡管在圖6中示出了最初落于各二面角反射器61的兩個鏡面61a、61b上 的光束的路徑(即，示出了兩條路徑)，但是在圖8中為避免混亂僅示出了最初落在任一鏡 面上的一條光束。基本原理如下。從點光源ο發(fā)出的各光束在其中一個二面角反射器61 處被反射兩次后最初穿過該二面角反射器61。然后，由布置在朝觀看者V傳播的光束的路 徑上的平面反射屏8致使反射的光束返回。結果，在位置ρ處形成實像。具體地說，在從二 面角反射器陣列6 —側觀看反射屏8時，圖6和圖7中所示的位置ρ處的實像與圖8和圖 9中所示的位置ρ處的實像之間的關系與對象(與圖8和圖9中所示的位置ρ處的實像相 對應)和虛像(在圖8和圖9中所示的位置ο'處形成并與圖6和圖7中所示的位置ρ處 的實像相對應)之間的關系相同。圖8中所示的反射屏8的位置(角度)設置為使得觀看 者可以看到位置P的實鏡像。如果使用擋風玻璃7代替反射屏8，則擋風玻璃7的傾斜角度 不能自由設置。因此，通過調整二面角反射器陣列6和對象4的位置關系，使得觀看者可以 看到位置P的實鏡像。
進一步描述改變二面角反射器陣列6和對象4之間的距離的效果。
圖10說明了二面角反射器陣列6和對象4之間的距離短于二面角反射器陣列6 和反射屏8之間的距離的情況。在此情況下，在二面角反射器陣列6和反射屏8之間的空 間內形成實鏡像5，使得觀看者可以看到作為由反射屏8反射形成的虛像5'的實鏡像。
如圖10所示，從對象4發(fā)出的各光束在被二面角反射器陣列6反射兩次之后穿過 二面角反射器陣列6。接著，在與對象4關于二面角反射器陣列6對稱的位置處，對象4的 實像形成為浮動的實像，即實鏡像5。觀看者V不能直接看到實鏡像5。觀看者V看到由反射屏8從鏡像5反射的結果虛像5'。也就是說，觀看者V看到在反射屏8后方(在反射 面后方的空間內；另選地在使用擋風玻璃7代替反射屏8時在車輛外側)形成的浮動圖像 5'，其為鏡像5的虛像。
此外，在圖11中描述了這樣的情形，即二面角反射器陣列6和對象4之間的距離 近似等于二面角反射器陣列6和反射屏8之間的距離，從而在反射屏8處形成實鏡像5。如 圖11所示，在此情況下，由于對象4具有一定的有限尺寸，所以觀看者既看到實鏡像的實像 5也看到由反射屏8形成的虛像5'。
從對象4發(fā)出的各光束在被二面角反射器陣列6反射兩次之后穿過二面角反射器 陣列6。接著，在關于二面角反射器陣列6與對象4對稱的位置處，對象4的實像形成為浮 動圖像，即鏡像。在當前實施方式中，反射屏8布置在浮動圖像的中心附近。因此，觀看者 V以實像5看到對象的遠離二面角反射器陣列6的部分，同時以虛像5'看到對象的靠近二 面角反射器陣列6的部分。也就是說，若反射屏8布置成與對象的實像5交叉，則觀看者V 看到在反射屏8的鏡面中穿透的空間圖像。
如以上所述，通過以各種方式改變對象4、二面角反射器陣列6和反射屏8的布置， 在反射屏8的鏡面的前方或后方，或者在反射屏8的鏡面上形成提供給觀看者V的空間圖 像(作為在鏡面中穿透的圖像)。
為了積極利用該特征的優(yōu)點，可隨時間改變其間的位置關系。圖12示出了又一實 施方式，其中利用諸如導軌、電機和齒輪齒條或蝸桿螺母引導機構的組合之類的引導輸送 機構RP使觀看對象沿該對象與實鏡像成像光學系統(tǒng)的連線以機械方式運動。
如圖12所示，觀看對象4附連至沿與光軸AX平行的導軌G滑動行進的滑動部件， 使得對象的空間圖像可沿觀看者V的視線(沿光軸AX)移動。對象4可通過電機M和引導 輸送機構RP線性運動。作為實施例，當觀看對象4b遠離二面角反射器陣列6時，在反射屏 8和觀看者V之間的空間中形成實像。在這種情況下，觀看者V看到由此形成的實像5。當 對象4靠近二面角反射器陣列6時，在反射屏8與二面角反射器陣列6之間的空間中形成實 像。在這種情況下，觀看者V看到在反射屏8中形成的虛像5'。因而，若使用用于使觀看 對象、二面角反射器陣列6和反射屏8之間的位置關系隨時間變化的裝置，則觀看者V能看 到在反射屏8的鏡面前方的空間和反射屏8的鏡面后方的空間之間連續(xù)移動的空間圖像。
假定，作為標準，在反射屏8上的確定點A和在實鏡像成像光學系統(tǒng)6上的另一確 定點B之間具有預定空間距離(圖12示出了點A和點B之間的距離)，并且光軸包括與反 射屏8上的點A關于元件表面6S面對稱的位置(即圖12所示的光軸上的位置C)，因此距 離A-B等于距離B-C。在此情況下，在特定光軸上具有三種情形，即第一，對象4和實鏡像 成像光學系統(tǒng)6之間的距離短于點A和點B之間的距離；第二，該特定距離等于點A和點B 之間的距離；第三，該特定距離大于點A和點B之間的距離。如果選擇性變化觀看對象4的 位置，使其滿足所述三個條件中的至少兩個條件，則司機可以感知到觀看對象關于反射屏 (擋風玻璃)的圖像位置具有位置變化，所述圖像位置例如在車輛內(實像)或在車輛外 (虛像)或者在擋風玻璃處(實像和虛像結合的、穿透的觀看對象圖像)。因此，除了如圖 12所示的連續(xù)變化的方式之外，觀看對象的位置可以以從以下情形之中選出至少兩種情形 的方式選擇性地變化，所述情形包括所見圖像被布置為與反射屏交叉、所見圖像是在反射 屏內的虛像、以及所見圖像是在反射屏外的實像。
若成行布置LED之類的多個緊湊光源(未示出)作為觀看對象，并依次打開以控 制光源，則觀看者可在不存在觀看對象自身的必要實際運動的情況下看到空間圖像的類似 運動。
圖13示意性示出了應用本發(fā)明的平視顯示裝置的又一實施方式。平視顯示裝置 1'與上述實施方式的平視顯示裝置1的不同之處僅在于實鏡像成像光學系統(tǒng)。因此，平視 顯示裝置1'的與平視顯示裝置1相同的結構元件以相同術語描述，并采用相同附圖標記。
使半反射鏡91和回射器陣列92相結合而形成適于當前實施方式的實鏡像成像光 學系統(tǒng)9。半反射鏡91的表面具有用作對稱平面的元件表面91S。觀看對象4布置在關于 半反射鏡91與觀看者V相對的空間中(儀表板的內側空間)?；厣淦麝嚵?2也布置在與 觀看者V相對的空間中。擋風玻璃7布置儀表板的上表面上(觀看者V所在的空間)。從 對象4發(fā)出的各光束由半反射鏡91反射，然后引向回射器陣列92?；厣淦麝嚵?2起致使 來自半反射鏡91的各光束回射的作用。因此，引導至回射器陣列92的光束返回半反射鏡 91。在經(jīng)過半反射鏡91之后，光束傳播至布置在觀看者V所在的空間中的擋風玻璃7。接 下來，通過擋風玻璃7使光束返回，使得在觀看者V的視線內的空間中形成實像5。適當設 定擋風玻璃7的角度，使得來自半反射鏡91的各光束可被引向觀看者V。
同樣可通過利用薄反射膜涂覆例如由透明樹脂或玻璃制成的透明薄板的一個表 面而制成半反射鏡91。對透明薄板的相對表面進行防反射處理(即，AR涂覆)，從而防止 要看到的實像5成為重像。此外，可在半反射鏡91的上表面上附連起可見性控制膜或視角 控制膜之類的作用的光學薄膜(未示出)作為視線控制裝置，其中可見性控制膜僅漫射沿 特定方向的光束，視角控制膜可僅切斷沿特定方向的光束，但是二者都允許沿其它特定方 向的光傳播。具體地說，這樣的光學薄膜防止光束在直接穿過半反射鏡91之后到達除觀看 者V的視點以外的位置，使得在擋風玻璃7中反射的觀看對象的圖像不能通過半反射鏡91 在除觀看者V的視點之外的任何位置直接看到。然而，光學薄膜同樣僅允許在被半反射鏡 91 一次反射并被回射器陣列92回射之后沿從回射器陣列92至半反射鏡91的方向傳播的 光束透過，如下文所述，使得從觀看者V的視點僅可看到實像5。
然而，回射器陣列92可為任意類型，只要其嚴格致使入射光束回射即可。可通過 向材料表面施加回射性材料或回射性涂層而形成回射器陣列92。此外，回射器陣列92可具 有彎曲表面或平坦表面。圖14A是以放大方式示出回射器陣列92的一部分的前視圖。圖 14A中所示的回射器陣列92為角錐陣列，該陣列為均利用立方體的其中一個內角的角錐的 集合?；厣淦?2A為由規(guī)則的一組角錐組成的角錐陣列，每一個角錐作為立方體的一個內 角而獲得。通過使在公共點處接合的形狀和尺寸相同的等腰直角三角形形狀的三個鏡面 92Aa、92Ab和92Ac聚集而形成各回射器92A，回射器92A在從前方觀看時為等邊三角形；這 三個鏡面92Aa、92Ab和92Ac相互正交而形成一個公共角錐(圖14B)。
圖15A也是以放大方式示出回射器陣列92的一部分的前視圖。圖15A中所示的回 射器陣列92也是作為均利用立方體的其中一個內角的角錐的規(guī)則集合的角錐陣列?；厣?器92B在從前方觀看時均具有正六邊形形狀，該正六邊形形狀由在公共點處接合的形狀和 尺寸相同的三個方形鏡面92Ba、92Bb和92Bc聚集而形成。這三個鏡面92Ba、92Bb和92Bc 相互正交(圖15B)。
盡管在圖14A和圖15A中所示的回射器陣列92的形狀不同，但是其回射原理相同。圖14B和圖15B分別說明了圖14A和圖15A中所示的回射器陣列92的回射原理。進 入回射器92A或92B的其中一個鏡面(例如，92Aa或92Ba)的光束被不同的鏡面(92Ab或 92Bb)和另一鏡面(92Ac或92Bc)依次反射。因此，光束被反射回其進入回射器92A或92B 所在的位置。進入回射器陣列92的光束的路徑與離開回射器陣列92的光束的路徑并不重 疊，而是在嚴格意義上相互平行。若回射器92A或92B與回射器陣列92相比充分小，則入 射光束的路徑和出射光束的路徑可視為相互重疊。這兩種角錐陣列在以下方面彼此不同。 鏡面成等腰三角形形式的角錐陣列相對易于制造，但是反射率稍低，而鏡面成方形形式的 角錐陣列相對難以制造，但是反射率高。
可使用上述角錐陣列的另選方式作為回射器陣列92，只要該另選方式(廣義上稱 為“角反射器”)利用三個鏡面引起光束回射即可。雖然這里未示出，例如，在實施方式中應 用的示例性單元式回射器具有三個鏡面，其中兩個相互正交，另一個相對于其它兩個成90/ N(N為整數(shù))度角。單元式回射器的另一實施例為具有三個鏡面的銳角回射器，其中鏡面 中的相鄰鏡面之間限定的角為90度、60度和45度。還可應用貓眼回射器作為單元式回射 器。這些回射器陣列可以是平面的、彎曲的或者翹曲的?？蛇m當確定回射器陣列的位置，只 要從觀看對象發(fā)出并被半反射鏡91反射的光束被回射器陣列回射即可。
在具有半反射鏡91和回射器陣列92的平視顯示裝置1 ‘中，與具有二面角反射器 陣列的平視顯示裝置1中類似，實像5被視為在沿相對于半反射鏡91的鏡面傾斜的方向上 的觀看者視線內的空間中浮動的圖像。平視顯示裝置1'還可通過改變待形成的圖像的顯 示位置或者通過改變要看到的圖像的尺寸而對實像5進行變化。
在不背離本發(fā)明目的的情況下可對顯示裝置的各構成部分的具體結構進行適當 改變。作為實施例，將本發(fā)明應用于平視顯示裝置，以在平視顯示裝置的顯示部前方的空間 中形成浮動圖像。
本發(fā)明可應用為用于廣告目的的顯示裝置，并可應用為在車輛中使用的信息顯示直ο
應理解，以上描述和附圖闡述了本發(fā)明的當前優(yōu)先實施方式。在不背離所公開的 發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領域技術人員根據(jù)以上教導當然會清楚各種修改、增添和 另選設計。因而，應理解本發(fā)明不限于所公開的實施方式，而是可在所附權利要求的整個范 圍內實施。
本申請基于2009年9月28日提交的在先日本專利申請No. 2009-222342并要求 其優(yōu)先權，將該專利申請的全部內容通過援引并入本說明書中。
權利要求
1.一種置于儀表板的上表面上的平視顯示裝置，該平視顯示裝置包括布置在所述儀表板的內側空間內的觀看對象；實鏡像成像光學系統(tǒng)，該實鏡像成像光學系統(tǒng)用于限定觀看者所在的空間和所述儀表 板的所述內側空間，該實鏡像成像光學系統(tǒng)包括具有對稱平面的半透明基板，該實鏡像成 像光學系統(tǒng)利用穿過所述基板的光線在所述觀看者的所述空間內形成所述觀看對象的實 像；以及在所述觀看者的所述空間內布置的反射屏，該反射屏反射所述實鏡像成像光學系統(tǒng)提 供的所述觀看對象的所述實像的光束，以將反射光束引導至所述觀看者，同時允許形成待 由所述觀看者看到的圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，其中所述反射屏是擋風玻璃。
3.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，其中所述反射屏附著至擋風玻璃的表面。
4.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，該平視顯示裝置還包括用于改變所述觀看對 象相對于所述實鏡像成像光學系統(tǒng)的位置的裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的平視顯示裝置，該平視顯示裝置還包括用于沿著連接所述觀 看對象和所述實鏡像成像光學系統(tǒng)的線移動所述觀看對象的裝置。
6.根據(jù)權利要求5所述的平視顯示裝置，其中所述觀看對象的位置以從以下情形中選 出至少兩種情形的方式來變化，所述情形包括所見圖像被布置為與所述反射屏交叉、所見 圖像是在所述反射屏內的虛像、以及所見圖像是在所述反射屏外的實像。
7.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，其中所述實鏡像成像光學系統(tǒng)是起二面角反 射器作用的光學元件。
8.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，其中所述實鏡像成像光學系統(tǒng)由半反射鏡和 回射器陣列的組合形成。
9.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，其中所述基板與所述儀表板形成為結合體。
10.根據(jù)權利要求1所述的平視顯示裝置，其中所述基板的表面被與所述儀表板相同 的顏色著色。
全文摘要
本發(fā)明提供一種平視顯示裝置，其置于儀表板的上表面上，該平視顯示裝置包括布置在儀表板的內側空間內的觀看對象；實鏡像成像光學系統(tǒng)，該實鏡像成像光學系統(tǒng)用于限定觀看者所在的空間和儀表板的內側空間，該實鏡像成像光學系統(tǒng)包括具有對稱平面的半透明基板，該實鏡像成像光學系統(tǒng)利用穿過所述基板的光線在觀看者的空間內形成觀看對象的實像；以及在觀看者的空間內布置的反射屏，該反射屏反射所述實鏡像成像光學系統(tǒng)提供的觀看對象的實像的光束，以將反射光束引導至觀看者，同時允許形成待由觀看者看到的圖像。
文檔編號B60Q3/02GK102033318SQ201010502820
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權日2009年9月28日
發(fā)明者杉山貴 申請人:斯坦雷電氣株式會社