CN100429559C - 虚像显示设备 - Google Patents

Abstract

一种虚像显示设备包括一对光学投射系统(10、20)，每个具有显示装置(11)、光源(12)，以及投射透镜(13)。形成在显示装置(11)上的图像投射到图像位置光学系统(30)，其包括光学聚集透镜(31)和光学散射装置(32)。来自光学投射系统(10、20)的光线在半透明反射装置(200)处反射，以便光线分别在观察者的右眼和左眼(301、302)处聚集。结果，图像可以由人们识别为远处的虚像。由于光学散射装置(32)以这样的方式散射光线，即，到达观察眼之一的光线不能到达其它观察眼，以便各光线的图像信息可以由观察者识别，而不引起串扰。

Description

虚像显示设备

技术领域

本发明涉及一种虚像显示设备，其通过反射从半透明反射装置上的光学单元投射的图像信息，以及将虚像重叠到前景来使在半透明反射装置上的虚像从观察点可见。

背景技术

这种类型的虚像显示设备通常用于显示系统中，其中，额外的图像显示为在观察者前面的显示器上的虚像，且额外的图像重叠到图像，或者已经显示在显示器上或者向前的景象上，以及尤其是用作用于诸如计算机游戏或者汽车之类的娱乐设备的信息显示设备。

需要通过改变虚像的图像距离来增加显示器上的图像的透视感。例如，在涉及向前的景象的图像信息将显示为虚像的情况下，其中，图像信息重叠到向前的景象上，可以在没有不舒服的感觉的情况下识别该图像，且当虚像的图像距离根据观察者和显示装置中的景象之间的距离而改变时，可以获得更加现实的感觉。

更加确切的，当观察者和显示装置中的景象之间的距离更长时，观察者和要被显示在显示器装置上的虚像之间的距离会同样变得更长，以便可以获得更加现实的感觉。

当与普通的立体电视相比时，更清楚地理解虚像显示为额外的图像的优点，通过立体电视也可以获得透视感。

普通电视在显示区域以外具有外部框架，因此，观察者的眼睛可能聚焦在外部框架上。在这样的情况下，当显示图像的距离较大地改变时，其可能给出对观察者不舒服的感觉。

因此，立体电视可能显示这样的图像，其提供了较差的透视感。另一方面，当额外的图像显示为虚像时，图像距离可以动态改变，因为根本不能识别显示装置的外部框架。

在传统的虚像显示设备中，显示装置上的图像由凹镜或者透镜放大，且显示为虚像，其中，机械地移动光学装置来改变图像距离。

在另一种传统的虚像显示设备中，披露了这样的具有光学投射系统和物镜的系统，其中，设置有一对光学投射系统，以及在投射透镜的出射光瞳处的图像形成在观察者的右眼和左眼处，即，来自光学授射系统的光线在右眼和左眼处聚焦。

例如，这些传统的设备在日本专利出版物(未审查的)H5-147456或者2001-356298中披露。

在通过机械移动光学装置来改变图像距离的情况下，大尺寸的屏幕是必需的，或者当图像距离变得更长时，光学系统本身变得更大。

在传统的虚像显示设备用于汽车，且前挡风玻璃用作半透明反射装置的情况下，挡风玻璃的曲率较大地改变，结果，在挡风玻璃上的图像大大地变形。

此外，在具有一对光学投射系统和物镜的传统设备中，其中，来自各光学投射系统的光线通过使用物镜来在左右眼处聚集，该对投射系统的光轴从物镜的光轴移位，引起像差。结果，来自透镜的整个区域的光线可能不在一个观察点处聚集，以致观察者不能识别整个图像，引起了图像的间断。此外，当显示的图像变得更大时，物镜必须制成更大，从而，像差不可避免地变得更大，降低了能见度。

即使实现了没有像差的透镜，当观察者的观察点(眼睛)移动即使较小的距离时，图像的间断也可能容易发生，因为聚焦点在小区域内。因此，即使当检测观察点的位置来控制光线时，也难获得高的能见度。

因此，必须通过使投射透镜的出射光瞳更大来在聚焦点处使光通量的直径更大。然而，当出射光瞳变得更大时，投射透镜和物镜之间的距离，即，投射距离，变得更大，导致大尺寸的光学系统。

如上所述，在传统的设备中有很多问题，即，

在系统的一些光学装置机械移动的情况下，光学系统变得更大，

由于透镜的像差，能见度降低(图像间断)，以及

在出射光瞳变得更大的情况下，光学系统变得更大。

发明内容

考虑上述的问题来实现本发明，本发明的目的在于提供一种虚像显示设备，其较小，具有较简单的结构，且其实现了高质量的图像显示。

根据本发明的特征之一，虚像显示设备包括：用于投射图像信息的光学单元；以及用于反射来自光学单元的图像信息的半透明反射装置，以便图像信息可以在其观察点(眼睛)处由观察者识别为虚像，其中，图像信息在远处重叠。

光学单元包括：一对光学投射系统，每个具有用于在其上显示图像的显示装置，用于照亮显示装置的光源，以及用于投射显示装置的图像的投射透镜，其中，该对光学投射系统投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；以及设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统，在该图像聚焦位置处，形成来自该对光学投射系统的各个图像。

图像位置光学系统包括：用于在投射透镜的出射光瞳和观察者的观察点之间形成共轭关系的光学装置；以及用于散射光线到这样的程度的光学散射装置，即，到观察点之一的光线不能到达其它观察点。

根据本发明的另一个特征，光学放大装置可以增加到上面的设备中，以便该设备可以进一步制成更小。

根据本发明的还有的特征，可以设置检测装置来检测观察眼的位置，以调节要在观察眼处聚集的光线。

根据本发明的还有的特征，可以提供单套光学投射系统，其中，图像以分时的方式显示在显示装置上，且分离成对于左右眼的各个图像，以便可以获得对于具有该对光学投射系统的设备的相同的效果。

根据本发明的还有的特征，提供一种光学组合装置，用于组合来自该对光学投射系统的各图像，且组合的图像由半透明反射装置反射，以便在不使用光学散射装置的情况下获得高质量的虚像。

附图说明

参考附图，从下面的详细描述将更加清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点。在附图中：

图1是根据本发明的第一个实施例的虚像显示设备的示意图；

图2是在图1中显示的观察者的观察点(眼睛)的视图；

图3是当从上面观察时，示出了来自光源的光线到达在图1的设备中的观察点的示意图，其中，省略了半反射镜和微型透镜阵列；

图4是用于说明投射透镜的出射光瞳的视图；

图5是类似于图3的示意图，其中，显示了在不存在透镜的像差的情况下的光线；

图6是用于说明在图1中显示的第一个实施例的光学原理的示意图；

图7是第一个实施例的修改的示意图，其中，提供了用于检测观察点的位置的检测装置；

图8是示出了根据本发明的第二个实施例的虚像显示设备的示意图；

图9是示出了根据本发明的第三个实施例的虚像显示设备的示意图；

图10是示出了根据本发明的第四个实施例的虚像显示设备的示意图；

图11是示出了根据本发明的第五个实施例的虚像显示设备的示意图；

图12是示出了根据本发明的第六个实施例的虚像显示设备的示意图；以及

图13是示出了根据本发明的第七个实施例的虚像显示设备的示意图。

具体实施方式

(第一个实施例)

下面将参考实施例来说明本发明。

在图1中，示出了根据本发明的第一个实施例的虚像显示设备S1的示意性结构，从光学单元100投射的图像信息由半透明反射板200反射，以便图像信息作为虚像变得从其观察点(眼睛)301、302对观察者可见，其中，虚像在远处相互重叠。

图2示出了观察者的眼睛(301、302)，其中，黑的部分相应于眼睛的瞳孔，黑的部分的长度为瞳孔直径。

光学单元100包括一对光学投射系统，即，用于左眼301的光学投射系统10和用于右眼302的光学投射系统20。

每个光学投射系统10、20具有用于图像显示的显示装置11、用于照亮显示装置11的光源12，以及投射透镜13。

光学单元100还包括图像位置光学系统30，其设置在这样的位置处(图像聚焦位置)，其中，该对光学投射系统10、20的图像，即显示装置11的各图像将通过投射透镜13形成在图像位置光学系统30上。

图像位置光学系统30是一组包括用于聚集光的菲涅耳透镜31和微型透镜阵列32的透镜。

用于光聚集的菲涅耳透镜31是光学装置，通过该光学装置，投射透镜13的投射眼和观察者的观察点301、302变成共轭关系。因此，除了聚集光的功能以外，透镜31具有作为屏幕的功能，在该屏幕处，显示装置11的图像被投射。

微型透镜阵列32具有作为用于将来自光学投射系统10、20的光线散射到这样的程度的光学散射装置，即，到达眼睛301、302之一的光线不能到达其它眼睛的功能。

透镜组30设置在图像聚焦位置，通过投射透镜13投射的显示装置11的图像形成在该图像聚焦位置，且这样通过投射透镜13形成的显示的图像由半反射镜200反射，该半反射镜是半透明的反射板，以便显示的图像在与观察眼301、302相对的半反射镜200的一侧上反射为虚像。半反射镜具有透射一部分光线和反射其它部分光线的功能。

如图1所示，观察者在这样的可视位置330处将对于左右眼301、302的各虚像310、320识别为立体视觉的虚像，即，该位置距离半反射镜200在虚像310、320还要前面，且在该位置处，两个虚像310、320合并。结果，观察者可以通过两眼视差识别该图像为具有透视的图像。

如上所述，有两个分别用于左右眼301、302的光学投射系统10、20。观察点(眼睛)301、302之间的可视距离和由观察者识别的可视位置330可以通过移动光学投射系统10、20的虚像310、320，即，通过在水平方向上移动显示装置11上的显示的图像来改变。

例如，当虚像310、320在水平方向上移动到进一步分离时，观察者在更长的距离上识别图像，反之亦然。

因此，优点在于，观察者可以通过透视视差来识别具有深度感的虚像。该优点降低了系统的载荷，因为可视距离可以通过在显示装置11上简单地移动显示的图像而不在其光轴的方向上移动透镜和反射镜来改变。

如上所述，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302相对于透镜组30(图像位置光学系统)的菲涅耳透镜31处于共轭关系。

透镜13的投射眼和菲涅耳透镜31之间的光路长度“a”、菲涅耳透镜31和观察者的观察点301、302之间的光路长度“b”，以及菲涅耳透镜31的焦距“f”符合下面的关系式。(请看图6)

1/a+1/b＝1/f

在该公式中，当计算菲涅耳透镜31和观察点301、302之间的光路长度“b”时，考虑在半反射镜200处的光线反射。

如果在菲涅耳透镜31中没有像差，由于共轭关系，通过透镜13的投射眼的所有光将在观察点301、302上聚集。因此，将没有光的浪费，从而可以增加显示设备的亮度。

然而，实际上，在菲涅耳透镜31中存在像差。如果将菲涅耳透镜31制得更大来放大显示图像，那么透镜31中的像差将相应地增加。

在这个方面，参考图3和4进一步进行说明。当从观察者上面的位置观察时，图3是示出了光学投射系统20、透镜31和观察点301、302的示意图，其中，省略了半反射镜200和微型透镜阵列32。图4是示出了投射透镜13的出射光瞳的示意图。

如图4所示，投射透镜13包括后透镜13a、停止件13b和前透镜13c。投射透镜13的表现孔径，即，当从出射侧观察时的停止件13b的表现尺寸是出射光瞳。在图4中，出射光瞳的直径13d在前透镜13c中指出。

如图3所示，投射眼的图像通过菲涅耳透镜31形成的位置相应于焦点。因此，在焦点处的光通量的直径K2依赖于出射光瞳的直径13d。

当缩短投射透镜13和透镜31之间的距离K1来使光学系统整个更小时，宽角度投射透镜13变成必需。当宽角度变得更大时，出射光瞳变得更小，从而在焦点处的光通量的直径K2变得更小。

这样，在光学系统的小型化和通过使投射眼更大来增加焦点处的光通量的直径K2之间存在折衷关系。

还是如图3所示，由于透镜31的像差，焦点根据在透镜31处的通过点而相互不同。例如，在邻近透镜31的中心的点处通过透镜31的光线B、C和D将在远离透镜31的位置上聚集，而在透镜的边缘附近的位置处通过透镜31的光线A和E将在更靠近透镜31的位置上聚集。

在观察点301、302定位在位置X的情况下，光线A、C和E到达观察者的右眼302。结果，观察者只能部分地识别图像，其覆盖中间和边缘的图像。观察者不能识别整体图像的其它环形部分。

在观察点301、302定位在位置Y处的情况下，光线C和D到达观察者的右眼302。观察者不能识别边缘部分的图像。

如上所述，在观察点处可能出现图像的间断。这是因为在不同位置处通过菲涅耳透镜31的各个焦点由于透镜的像差(在该情况下的彗差)而相互不同，且因为光通量的直径较小，从而有一些根据观察点的位置而不能到达观察者的眼睛的光通量。

图5是显示了在菲涅耳透镜31中不存在像差的情况下的示意图。如图5所示，通过透镜31的的不同点的各光线可以在一个焦点上聚集。然而，在这样的情况下不利的在于，当观察者的瞳孔的观察点移位即使较小的距离，图像也不能识别。这是因为各光通量的直径较小，且瞳孔的直径也较小。

当检测观察点的位置，且焦点的位置将根据观察点的检测位置而改变时，复杂的控制是必需的，以克服上述的缺点。然而，考虑到设备的成本和尺寸，这是不实际的。此外，去除透镜的像差的成本较高，因为这要求许多透镜。

因此，微型透镜阵列32在本发明中用作光学散射装置。由于根据透镜的曲率，光线可以通过微型透镜阵列32来散射，所以可以防止在观察点处的图像的间断。

图6是示出了根据本发明的虚像显示设备S1的光学原理的示意图。当与图3比较时，在图6中加入了微型透镜阵列32。

如上所述，微型透镜阵列32具有根据透镜的曲率来散射光线的功能，从而可以放大光通量。通过菲涅耳透镜31的所有光通量可以通过微型透镜阵列32来放大，以便所有的光线A到E可以到达观察点302。结果，可以防止在观察点处的图像间断。

从图6可以理解的，在位置X和Y处可以由观察者识别完整的图像。这意味着可视区域在光轴上扩展。如果对于右眼的光线到达左眼，或者反过来，那么将发生所谓的串扰。

当在水平方向上调节微型透镜阵列32的曲率，以致不可能发生串扰时，同时也能防止图像的间断和串扰。

当微型透镜阵列32在垂直方向上的曲率比在水平方向上的要小时，在垂直方向上的散射度比在水平方向上的散射度要大。结果，没有必要响应于在垂直方向上的观察点的移动来在垂直方向上控制光线。

然而，在观察点在水平方向上移动的情况下，当观察点移动超过瞳孔距离的一半时，必须控制光线。将说明一种用于响应于眼睛在水平方向的移动来控制光线的设备。

(第一个实施例的修改)

图7是图1的虚像显示设备的修改的设备的示意图，其中，增加了用于检测观察眼的位置的相机40和通过电动马达44旋转的反射镜42。相机40包括CCD传感器，且CCD传感器的图像信息通过电子控制单元46来分析。

观察者的图像由相机40拍摄，且由控制单元46分析，以识别观察点301、302的位置。然后，反射镜42的旋转角由控制单元46计算，且由电动马达44旋转，以便来自光学投射系统10、20的光线分别到达左右观察点301、302。

因此，即使当观察者在水平方向上移动，从而观察点301、302移位时，可以识别图像。例如，图7示出了观察点301、302在向右的方向上移动的情况。

如在图7中显示的改进，反射镜42插入从光源12到半反射镜200的光路中，光线被偏离，以便光学系统可以作为整体减小尺寸。

在图1的情况下，其中，没有使用反射镜42，设备的垂直长度不可避免地大，而图7的设备的垂直长度可以通过使用反射镜而制得更小，当该设备用于汽车时，这是特别优选的。

当光线被偏离时，可能发生要被显示的图像的变形。即，当光到透镜组30的入射角通过旋转反射镜42而倾斜时，要被显示的图像会变形。

此外，在这种类型的设备用于汽车的情况下，其中，汽车的前面玻璃(挡风玻璃)用作半透明反射板(半反射镜)200，由于前面玻璃(挡风玻璃)的曲率可能进一步产生图像的变形。

然而，当显示装置11的显示图像提前变形，以致该变形可以弥补要在光线偏离处产生的变形时，可以获得在好的条件下(没有变形)的图像。

根据上述的实施例，有下面的优点。

可以防止光学系统在尺寸上变得更大，因为观察点301、302和可视位置330之间的可视距离可以通过移动由该对光学投射系统10、20形成的在显示装置11上的显示的图像的位置来改变，在该可视位置330处由观察者识别虚像。即，根据该实施例，光学装置可以没有物理移动。

由于图像位置光学系统(透镜组)30具有光学装置(菲涅耳透镜)31，使得投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302成共轭关系，所以通过投射透镜13的出射光瞳的所有光线可以在观察者的观察点处聚集，从而显示图像可以变得更亮。

此外，图像位置光学系统30具有光学散射装置32，根据该光学散射装置，光线散射到这样的程度，即，到观察点之一的光线不能到达其它观察点。结果，在焦点处的光通量的直径可以在不使投射透镜13的投射眼制得更大的情况下以这样的程度变得更大，即，到观察点之一的光线不能到达其它观察点。

即，即使当有透镜像差时，也可以防止图像的间断，然后可以抑制能见度的降低。此外，没有必要响应于观察点的移动来控制光线。

如上所述，根据该实施例，光学装置以更简单的结构来制得更小，同时可以获得高质量的图像。

在上述的实施例中，微型透镜阵列32用作光学散射装置，其中，微型透镜阵列32在垂直方向上的曲率优选地制得比在水平方向上小。

如已经说明的，在光学散射的情况下，必须防止串扰，以便到观察点之一的光线不能到达其它观察点。这意味着对光学散射装置在其水平方向上的曲率有一定限制。

另一方面，对于在垂直方向上的散射没有什么限制，因为人的右眼和左眼设置在水平方向上。这就是为什么光学散射装置在垂直方向上的曲率可以制得更小的原因。作为其结果，在大多数情况下不需要在垂直方向上追踪观察点。

如也在第一个实施例的修改中说明的，考虑到光学系统的尺寸减小，最好在反射镜42处偏离光线，该反射镜设置在从光源12到半反射镜200的光路中。

在上面的改进中，设置用于检测观察点301、302的位置的相机40，和反射镜42，以及用于控制到观察点的光线的电动马达44。由于反射镜42设置为在水平面上旋转，所以观察点在水平方向上的追踪可以以优选的方式来进行。

此外，在上述的修改中，显示在显示装置11上的图像提前变形，使得可以弥补通过光学投影系统10、20形成在反射半反射镜200上的变形的图像，以获得高质量的图像。

(第二个实施例)

图8是示出了根据本发明的第二个实施例的虚像显示设备S2的示意图，其中，棱镜片33被加到在图1中显示的设备S1的图像位置光学系统30。

在图8中，棱镜片33设置在透镜组(图像位置光学系统)30中，其中，该棱镜片33接触菲涅耳透镜31。光线由棱镜片33折射。

这里的棱镜片33是包括条纹形显微棱镜且具有折射光线功能的光学装置。通过该棱镜片33来从光学投射系统10、20在相对于透镜组30的表面倾斜的方向上入射光线是可能的。

在该棱镜片33中，出射光线的角(出射角)变得比来自光学投射系统10、20的光线的入射角小，以便可以合适地获得用于折射光线的透镜效果。

结果，光学投射系统10、20可以设置在更加邻近透镜组30的位置处，从而可以实现光学系统的小型化。例如，在图8中实现了设备在垂直方向上的尺寸减小。

此外，棱镜片33设置在图像形成的位置处，在该位置处形成光学投射系统10、20的显示装置11的图像，即，在包括菲涅耳透镜31的透镜组30中。因此，可以消除由棱镜片33引起的色差的影响。在该实施例中通过将菲涅耳透镜31、微型透镜阵列32和棱镜片33形成为一个单元来获得该效果。然而，不是总是必须将这些装置形成为一个单元。当棱镜片33设置为邻近但是离开透镜组30时，也能获得同样的效果。

如上所述，可以获得虚像显示设备S2，除了由在图1中显示的设备获得的效果以外，设备S2具有减小设备尺寸和抑制由棱镜片33产生的色差的影响的效果。

(第三个实施例)

图9是示出了根据本发明的第三个实施例的虚像显示设备S3的示意图，其中，放大菲涅耳透镜34加到在图1中显示的设备S1中。

放大菲涅耳透镜34设置在这样一个位置，其从透镜组30(聚集菲涅耳透镜31和微型透镜阵列32)分离，且更邻近观察者。透镜34具有放大透镜组30上的图像的功能。

在图1的设备中，光学投射系统10、20的图像形成在透镜组30上，且其虚像由半反射镜200显示。因此，从观察点301、302到透镜组30的光路长度相应于虚像距离观察点301、302的图像形成长度。

当图像合并点(可视位置)的可视距离需要通过视差在立体视觉中变得更长时，其中，左右眼的虚像310、320在该图像合并点处合并成一个图像，对于虚像310、320的图像形成长度将变得更长，以便两个图像容易合并成立体视觉的虚像330。

这是因为观察者的不舒服的感觉由于这样的原因而下降，即，在当调节眼睛301、302的会聚来看着视差图像时观察者的距离感与在聚焦调节处来调节眼睛的焦点到图像形成的位置的距离感之间减小差别。

在上述实施例中，放大菲涅耳透镜34设置在半反射镜200和包括聚集菲涅耳透镜31和微型透镜阵列32的透镜组30之间，以便形成在透镜组30上的光学投射系统10、20的图像310、320在远处被放大和显示。

在聚集菲涅耳透镜31和放大菲涅耳透镜34被看成是构成一个统一的光学系统的情况下，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302相对于主点成共轭关系，从而在远处的图像放大和光聚集共同存在。

在该实施例中，聚集菲涅耳透镜31构成光学光聚集(聚光)装置，微型透镜阵列32构成光学散射装置，以及放大菲涅耳透镜34构成用于放大图像的光学放大系统。

在聚集菲涅耳透镜31和放大菲涅耳透镜34被看成是构成一个统一的光学系统的情况下，投射透镜13的投射眼和观察者的观察点301、302相对于主点成共轭关系。

(第四个实施例)

图10是示出了根据本发明的第四个实施例的虚像显示设备S4的示意图，其中，用于聚集光的菲涅耳透镜31从在图9中显示的设备的透镜组30去除。

即，该实施例的设备S4包括每个具有光源12和投射透镜13的光学投射系统10和20、微型透镜阵列32、放大菲涅耳透镜34和半反射镜200。

微型透镜阵列32设置在图像聚焦位置，该对光学投射系统10、20的图像将形成在该图像聚焦位置处，以及微型透镜阵列32起屏幕的作用。放大菲涅耳透镜34设置在这样一个位置，其离开微型透镜阵列32，且更邻近观察者，以便在微型透镜阵列32上形成的图像在远处放大和显示。

此外，放大菲涅耳透镜34具有聚集来自光学投射系统10、20的光线的功能，且设置在这样一个位置，即，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302相对于放大装置34的主点成共轭关系。

在该实施例中，微型透镜阵列32构成光学散射装置，放大菲涅耳透镜34构成用于放大图像的光学放大系统。

(第五个实施例)

图11是示出了根据本发明的第五个实施例的虚像显示设备S5的示意图。

该虚像显示设备S5包括：具有光源12、显示装置11和投射透镜13的单套光学投射系统10；具有液晶光阀51和偏振分束镜52的光学图像分离器50；用于将光线引导到透镜组30的反射镜组60；具有聚集菲涅耳透镜31和微型透镜阵列32的图像位置光学系统30(透镜组)；以及用于反射光线的半反射镜200。

液晶光阀51是扭曲向列结构，其中，液晶扭曲90度。依赖于电场的开关，其从垂直定向的状态切换到扭曲的状态，反之亦然。

偏振板(没有显示)设置在液晶光阀51的入射侧，使得在液晶在垂直定向的状态下的情况下，通过光阀51的光线将在偏振板相同的方向上偏振，而在液晶在扭曲的状态下的情况下，光线将在偏振板的方向旋转90度的方向上偏振。这样，通过光阀51的光线的偏振方向依赖于电场的开或者关状态可以改变90度。

设置在光阀51的背侧处的偏振分束镜52是光学装置，其依赖于其偏振方向反射或者透射光线。例如，在S偏振的情况下，其反射光线，在P偏振的情况下，其透射光线。

由偏振分束镜52反射的光线和通过偏振分束镜52透射的光线分别由反射镜组60引导，且在光学投射系统10的显示装置11上的图像将投射到且形成在透镜组30上。

即使在该实施例中，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302也处于共轭关系，所有光线可以聚集在观察点301、302，从而显示图像可以更亮。

在该实施例中，显示装置11以分时的方式工作，以交替显示右眼和左眼的各图像。液晶光阀51也以分时的方式工作，其与显示装置11的操作同步。

例如，右眼图像的光线以S偏振的形式投射到偏振分束镜52，然后光线由偏振分束镜52反射。另一方面，左眼图像的光线以P偏振的形式投射到偏振分束镜52，然后光线透射通过偏振分束镜52。

在半反射镜200处的反射系数不同于光线偏振的方向。因此，需要使光线到达半反射镜200，使得光线的S偏振分量和P偏振分量相互相等。

在上面说明的实施例中，由于右眼和左眼的图像可以由单套光学投射系统分别投射，所以可以实现设备的光学系统的小型化和成本降低。

在该实施例中，聚集菲涅耳透镜31构成光学光聚集(聚光)装置，微型透镜阵列32构成光学散射装置，以及具有液晶光阀51和偏振分束镜52的光学图像分离器50构成图像分离装置。

根据上述的实施例，来自单个光学投射系统10的图像可以由光学图像分离器50分开成两个图像。因此，可以以设置两个光学投射系统的其它实施例相同的方式分别显示对于观察者的右眼和左眼的图像。

在该实施例中，当移动要由光学分束镜50分开的各图像时，可以改变虚像的可视距离，即，可视位置330。

更确切的，以分时方式交替地形成在显示装置11上的显示图像，即，对于右眼的图像和对于左眼的图像分别移动。结果，没有必要物理移动光学装置，从而防止光学系统变得更大。

(第五个实施例的修改)

在上面的图11的实施例中，放大菲涅耳透镜34也可以在这样一个位置增加，其从透镜组30(包括聚集透镜31和微型透镜阵列32)分离，且更邻近观察者，使得从光学投射系统10、20投射且形成在透镜组30上的图像在远处被放大和显示。

在这样的修改中，在聚集菲涅耳透镜31和放大菲涅耳透镜34被看成是构成一个统一的光学系统的情况下，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302设置为相对于主点成共轭关系。

(第五个实施例的进一步修改)

透镜组30的聚集菲涅耳透镜31可以从第五个实施例的虚像显示设备S5去除，如第四个实施例一样。

在这样的情况下，虚像显示设备S5包括：具有光源12、显示装置11和投射透镜13的单套光学投射系统10；光学图像分离器50；反射镜组60；微型透镜阵列32；具有聚集光的功能和放大图像的功能的放大菲涅耳透镜34；以及半反射镜200。

即使在透镜组30的聚集菲涅耳透镜31被去除的情况下，用于折射光线的棱镜片33也可以设置到微型透镜阵列32作为光学散射装置，如在上面的第二个实施例中说明的。

(第六个实施例)

图12是根据本发明的第六个实施例的虚像显示设备S6的示意图，其中，通过使用具有较大的投射眼的投射透镜来从设备去除微型透镜阵列(光学散射装置)。

在图12中显示的虚像显示设备S6包括：一对光学投射系统10、20，每个具有光源12、显示装置11和投射透镜13；用于反射和透射来自光学投射系统10、20的光线的半反射镜70；设置在一个位置处的聚集菲涅耳透镜31，在该位置处，显示装置11的图像由投射透镜13形成；以及用于反射光线的半反射镜200。

在该实施例中，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302相对于聚集菲涅耳透镜31成共轭关系。

投射透镜13的出射光瞳的直径形成为比通过聚集菲涅耳透镜31在观察点301、302处的图像的尺寸(瞳孔的直径)要大。因此，来自投射透镜13的光通量的直径可以变得足够大，以防止在没有微型透镜阵列32的情况下的图像间断，因为覆盖整个图像的光线可以到达观察者的观察点301、302。

当其具有更大的出射光瞳时，投射透镜13的透镜直径通常变得更大。投射透镜13的出射光瞳和观察点处于共轭关系是必须的。在该对投射透镜13平行设置的情况下，如在图1中显示的第一个实施例，其中，投射透镜的直径较大，然后出射光瞳之间的距离变得太大，以致不能保持共轭关系。即，在不引起相互干扰的情况下，该对投射透镜13几乎不能平行设置。

在上面的第一到第五实施例中，投射透镜13的出射光瞳的直径形成为比通过聚集菲涅耳透镜31在观察点301、302处的图像的尺寸(瞳孔的直径)要小。因此，即使在该对该对投射透镜13平行设置的情况下，该对投射透镜13之间的距离可以保持在合适的量。

由于上述原因，光学投射系统10、20设置在半反射镜70的相对侧上，如图12所示，以便来自一个光学投射系统的光线由半反射镜70反射，而来自其它光学投射系统的光线通过半反射镜70透射。

即，该对投射透镜13的出射光瞳通过半反射镜70的组合来组合，以便出射光瞳和观察点显然保持在共轭位置。结果，微型透镜阵列32变得没有必要，以实现设备的成本降低。

在该实施例中，聚集菲涅耳透镜31构成光学光聚集(聚光)装置，且半反射镜70的组合构成光学组合装置。

根据上面的实施例，投射透镜13的出射光瞳的直径形成为比通过聚集菲涅耳透镜31在观察点301、302处的图像的尺寸(瞳孔的直径)要大。因此，在没有微型透镜阵列(光学散射装置)32的情况下，在焦点处的光通量的直径可以变得更大。

因此，即使当有透镜像差时，也可以防止图像的间断，可以抑制能见度的降低。此外，没有必要追踪观察点的移动。

由于半反射镜70的组合在该实施例中设置为组合来自该对光学投射系统10、20的图像，所以即使当光学投射系统10、20的投射透镜13制得更大时，投射透镜13也可以设置在优化的位置而不引起干涉。结果，可以防止设备的光学系统尺寸变得更大。

(第六个实施例的修改)

在该实施例中，如在第三个实施例中一样，放大菲涅耳透镜34可以设置在这样一个位置，其从聚集透镜31分离，且更邻近观察者，使得从光学投射系统10、20投射且形成在聚集透镜31上的图像在远处被放大和显示。

在这样的修改中，在聚集菲涅耳透镜31和放大菲涅耳透镜34被看成是构成一个统一的光学系统的情况下，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302设置为相对于主点成共轭关系。

(第六个实施例的进一步修改)

聚集菲涅耳透镜31可以从第六个实施例的虚像显示设备S6去除，如第四个实施例一样。

在这样的情况下，替代聚集菲涅耳透镜31，放大菲涅耳透镜34将设置在更邻近观察者(更邻近半反射镜200)的位置上，如第四个实施例一样。

因此，虚像显示设备S6包括：该对光学投射系统10、20，每个具有光源12、显示装置11和投射透镜13；半反射镜的组合70；设置在除了用于光学投射系统10、20的图像位置以外的位置处，且具有聚集光的功能和放大图像的功能的放大菲涅耳透镜34；以及半反射镜200。

(第七个实施例)

图13是根据本发明的第七个实施例的虚像显示设备S7的示意图，其中，光学系统形成有固定的焦点，而不使用视差。

在图13中显示的虚像显示设备S7包括：具有光源12、显示装置11和投射透镜13的单套光学投射系统10；具有聚集菲涅耳透镜31和微型透镜阵列32的透镜组30；以及半反射镜200。

透镜组30设置在这样的位置，即，显示装置11的图像通过投射透镜13在该位置处形成。投射透镜13的显示的图像由半反射镜200反射，以便虚像330可以由观察者(观察点301、302)在半反射镜200的背侧处识别。

在该实施例中，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302相对于聚集菲涅耳透镜31成共轭关系。光束由微型透镜阵列32散射，以便光束在覆盖右眼和左眼301、302的整个可视区域中散射。

在该实施例中，透镜组30包括用于形成图像的光学装置(图像位置光学系统)，以及微型透镜阵列32构成光学散射装置。

在该设备S7中，由于图像位置光学系统(透镜组)30具有光学装置(菲涅耳透镜31)，如在第一个实施例中一样，以便投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302成共轭关系，通过投射透镜13的出射光瞳的所有光束可以在观察者的观察点处聚集，从而显示图像可以变得更亮。

在该实施例中，由于微型透镜阵列(光学散射装置)32设置为将光线散射到整个可视区域，所以在不制造投射透镜13的出射光瞳的情况下，在焦点处是光通量的直径可以变得更大。

因此，即使当有透镜像差时，也可以防止图像的间断，然后可以抑制能见度的降低。此外，没有必要追踪观察点的移动。

如上所述，根据该实施例，光学装置以更简单的结构来制得更小，同时可以获得高质量的图像。此外，由于光聚集性能为高，尽管可视距离固定，但是可以获得更亮的虚像显示设备。

(第七个实施例的修改)

在该实施例中，如在第三个实施例中一样，放大菲涅耳透镜34可以设置在这样一个位置，其从透镜组30(包括聚集透镜31和微型透镜阵列32)分离，且更邻近观察者，使得从光学投射系统10投射且形成在透镜组30上的图像在远处被放大和显示。

在这样的修改中，在聚集菲涅耳透镜31和放大菲涅耳透镜34被看成是构成一个统一的光学系统的情况下，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302设置为相对于主点成共轭关系。

聚集菲涅耳透镜31可以从第七个实施例的虚像显示设备S7去除，如第四个实施例一样。

在这样的情况下，虚像显示设备S7包括：具有光源12、显示装置11和投射透镜13的单套光学投射系统10；微型透镜阵列32；具有聚集光的功能和放大图像的功能的放大菲涅耳透镜34；以及半反射镜200。

(其它修改)

当微型透镜阵列32用作光学散射装置时，微型透镜阵列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，如在第一个实施例中一样。这也可以应用到除了第一个实施例以外的其它实施例。

在这些实施例中的光学散射装置不应该限于微型透镜阵列。例如，可以使用用于在水平方向上散射光束的双凸透镜和用于在垂直方向上散射光束的双凸透镜的层压主体。

此外，这样的单个透镜可以用作光学散射装置，其中，用于在水平方向上散射光束的双凸透镜形成在前面，而用于在垂直方向上散射光束的双凸透镜形成在其背面。

即使在双凸透镜(或者多个透镜)用作光学散射装置的情况下，用于在垂直方向上散射光束的透镜的曲率最好制得比在水平方向上的曲率小。通过该结构，变得几乎不需要追踪观察眼在垂直方向上的移动，如在使用微型透镜阵列的情况下。

在上述实施例中说明的，通过折射光路，棱镜片33可以用于获得更小尺寸的设备，其中，光束的出射角设置为比从光学投射系统10、20的入射角要小。这应用到所有上述实施例。

用于折射光路的透镜不应该限制于上述实施例中的棱镜片33。例如，可以使用偏轴类型的菲涅耳透镜。在这样的情况下，光束的出射角也设置为比从光学投射系统10、20的入射角要小。

在图7中所示的修改的实施例中，反射镜42设置在从光源到半反射镜200的通路中，以折射光路，以便可以实现更小尺寸的设备。这应用到所有其它实施例。

此外，在图7中显示的修改的实施例中，设置有用于检测观察点301、302位置的相机40，以及用于将光线引导到观察点的马达和反射镜42，使得可以正确地执行追踪观察点在水平方向上的移动。

上述的用于检测观察点的位置的追踪装置也可以用于其它实施例。

反射镜42可以设置在光学投射系统10、20和透镜组30之间的位置，或者在图11中显示的实施例情况下设置在反射镜组60和透镜组30之间的位置。在图12中显示的实施例中，半反射镜70的组合本身可以旋转。

用于引导光线的装置不应该限制于在上述实施例中的旋转反射镜42。

例如，设置在从光学投射系统10、20的图像位置处的光学装置，或者用于放大来自光学投射系统10、20的图像的光学装置可以以滑动的方式移动。光学投射系统10、20可以可滑动地移动。

在图7中所示的修改的实施例中，在显示装置11上的图像提前变形，以便补偿虚像，以获得在好的条件下的图像(没有变形)。

这也可以应用到其它实施例。

用于折射光线的棱镜片33不仅可以设置到在图8的实施例中的虚像显示设备，而且可以设置在其它实施例中的虚像显示设备。通过该结构，该设备的光学系统可以制得更小。

用于放大由光学投射系统形成的图像的光学放大装置(放大菲涅耳透镜)34不仅可以设置在第三和第四实施例中，而且可以设置在其它实施例中，以便虚像310、320的图像形成长度可以变得更长，以改进能见度。

换句话说，放大装置可以设置在这样的位置，其从透镜组30(聚集透镜31和/或微型透镜阵列32)分离，且更邻近观察者，使得从光学投射系统(10、20)投射且形成在透镜组30上的图像在远处被放大和显示。

根据本发明的虚像显示设备，可以防止光学系统尺寸变得更大，因为观察点和可以由观察者识别虚像的可视点之间的可视距离可以通过移动在光学投射系统10、20的显示装置11上的显示的图像来改变。即，根据这样的结构，光学系统可以不物理移动。

在上述的任何实施例中，投射透镜13的出射光瞳和观察者的观察点301、302相对于主点成共轭关系。结果，通过投射透镜13的出射光瞳的所有光线可以聚集在观察者的观察点，从而显示图像可以更亮。

此外，根据其中设置光学散射装置(微型透镜阵列)32的这些实施例，光通量的直径可以变大到这样的程度，即，在不使投射透镜13的出射光瞳更大的情况下，到观察点之一的光线不能到达其它观察点。

因此，即使当透镜有像差时，也可以防止图像的间断，然后可以抑制能见度的降低。此外，没有必要追踪观察点的移动。

如上所述，根据本发明，通过更简单的结构可以使光学系统更小，同时可以获得高质量的图像。

Claims (28)

1.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

一对光学投射系统(10、20)，每个具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)，该对光学投射系统(10、20)投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；以及

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30)，在该图像聚焦位置处，形成来自该对光学投射系统(10、20)的各个图像，

其中，该图像位置光学系统(30)包括：

用于在投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)之间形成共轭关系的光学聚集装置(31)；以及

用于散射光线到这样的程度的光学散射装置(32)，即，到观察点之一(301)的光线不能到达其它观察点(302)。

2.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

一对光学投射系统(10、20)，每个具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)，该对光学投射系统(10、20)投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30)，在该图像聚焦位置处，形成来自该对光学投射系统(10、20)的各个图像；以及

用于放大由该对光学投射系统(10、20)形成的图像的光学放大装置(34)；

其中，该图像位置光学系统(30)包括：

用于聚集光线的光学聚集装置(31)；以及

用于散射光线到这样的程度的光学散射装置(32)，即，到观察点之一(301)的光线不能到达其它观察点(302)，以及

在光学聚集装置(31)和光学散射装置(32)被看成是一个统一的光学系统的情况下，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于主点处于共轭关系。

3.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

一对光学投射系统(10、20)，每个具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)，该对光学投射系统(10、20)投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；

设置在形成来自该对光学投射系统(10、20)的各个图像的图像聚焦位置处，以及用于散射光线到这样的程度，即，到观察点之一(301)的光线不能到达其它观察点(302)的光学散射装置(32)，以及

用于放大由该对光学投射系统(10、20)形成的图像的光学放大装置(34)；

其中，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于光学放大装置(34)的主点处于共轭关系。

4.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

光学投射系统(10)，其具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)；

用于将来自光学投射系统(10)的图像分开成两个图像的光学图像分离器(50)；以及

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30)，在该图像聚焦位置处，形成由光学图像分离器(50)分开的各个图像，

其中，该图像位置光学系统(30)包括：

用于在投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)之间形成共轭关系的光学聚集装置(31)；以及

用于散射光线到这样的程度的光学散射装置(32)，即，到观察点之一(301)的光线不能到达其它观察点(302)。

5.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

光学投射系统(10)，其具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)；

用于将来自光学投射系统(10)的图像分开成两个图像的光学图像分离器(50)；

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30)，在该图像聚焦位置处，形成由光学图像分离器(50)分开的各个图像；以及

用于放大由光学图像分离器(50)分开的各图像形成的图像的光学放大装置(34)，

其中，该图像位置光学系统(30)包括：

用于聚集光线的光学聚集装置(31)；以及

用于散射光线到这样的程度的光学散射装置(32)，即，到观察点之一(301)的光线不能到达其它观察点(302)，以及

在光学聚集装置(31)和光学放大装置(34)被看成是一个统一的光学系统的情况下，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于主点处于共轭关系。

6.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

光学投射系统(10)，其具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)；

用于将来自光学投射系统(10)的图像分开成两个图像的光学图像分离器(50)；以及

设置在形成由光学图像分离器(50)分开的各个图像的图像聚焦位置处，以及用于散射光线到这样的程度，即，到观察点之一(301)的光线不能到达其它观察点(302)的光学散射装置(32)；

用于放大由光学图像分离器(50)分开的各图像形成的图像的光学放大装置(34)，

其中，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于光学放大系统(34)的主点处于共轭关系。

7.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

一对光学投射系统(10、20)，每个具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)，该对光学投射系统(10、20)投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；

用于组合来自该对光学投射系统(10、20)的图像的光学组合系统(70)；以及

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30、31)，在该图像聚焦位置处，形成来自该对光学投射系统(10、20)的各个图像；

其中，图像位置光学系统(30、31)在投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)之间形成共轭关系，以及

投射透镜(13)的出射光瞳的直径比在观察点(301、302)处由图像位置光学系统(30、31)形成的图像的尺寸要大。

8.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

一对光学投射系统(10、20)，每个具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)，该对光学投射系统(10、20)投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；

用于组合来自该对光学投射系统(10、20)的图像的光学组合系统(70)；

设置在图像聚焦位置处的光学聚集装置(31)，在该图像聚焦位置处，形成来自该对光学投射系统(10、20)的各个图像；以及

用于放大由来自该对光学投射系统(10、20)的各图像形成的图像的光学放大系统(34)；

其中，在光学聚集装置(31)和光学放大系统(34)被看成是一个统一的光学系统的情况下，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于主点处于共轭关系，以及

投射透镜(13)的出射光瞳的直径比在观察点(301、302)处由光学聚集装置(31)形成的图像的尺寸要大。

9.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

一对光学投射系统(10、20)，每个具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)，该对光学投射系统(10、20)投射相应于观察者的右眼和左眼的各个图像；

用于组合来自该对光学投射系统(10、20)的图像的光学组合系统(70)；以及

设置在不同于形成来自该对光学投射系统(10、20)的各图像的图像聚焦位置的位置处，且用于放大由来自该对光学投射系统(10、20)的各图像形成的图像的光学放大装置(34)；

其中，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于光学放大装置(34)的主点处于共轭关系，以及

投射透镜(13)的出射光瞳的直径比在观察点(301、302)处由光学聚集装置(31)形成的图像的尺寸要大。

10.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

单套光学投射系统(10)，其具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)；以及

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30)，在该图像聚焦位置处，形成来自该光学投射系统(10)的图像，

其中，该图像位置光学系统(30)包括：

用于在投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)之间形成共轭关系的光学聚集装置(31)；以及

用于散射光线到所有可视区域的光学散射装置(32)。

11.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

单套光学投射系统(10)，其具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)；

设置在图像聚焦位置处的图像位置光学系统(30)，在该图像聚焦位置处，形成来自该光学投射系统(10)的图像；以及

用于放大由光学投射系统(10)形成的图像的光学放大装置(34)，

其中，该图像位置光学系统(30)包括：

光学聚集装置(31)和用于散射光线到所有可视区域的光学散射装置(32)；以及

在光学聚集装置(31)和光学放大装置(34)被看成是一个统一的光学系统的情况下，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于主点处于共轭关系。

12.一种虚像显示设备，其包括：

用于投射图像的光学单元(100)；以及

用于反射来自光学单元(100)的图像的半透明反射装置(200)，以便图像可以在其观察点处由观察者识别为虚像，其中，该图像在远处与一背景重叠，

其中，该光学单元(100)包括：

单套光学投射系统(10)，其具有用于在其上显示图像的显示装置(11)，用于照亮显示装置(11)的光源(12)，以及用于投射显示装置(11)的图像的投射透镜(13)；

设置在形成来自光学投射系统(10)的图像的图像聚焦位置处，以及用于散射光线到所有可视区域的光学散射装置(32)；以及

用于放大由光学投射系统(10)形成的图像的光学放大装置(34)，

其中，投射透镜(13)的出射光瞳和观察者的观察点(301、302)相对于光学放大装置(34)的主点处于共轭关系。

13.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，还包括：

用于在从光学投射系统到半透明反射装置(200)的光路中折射光线的光学装置(33)。

14.根据权利要求1到6和10到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，

光学散射装置(32)包括微型透镜阵列。

15.根据权利要求1到6和10到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，

该光学散射装置(32)包括微型透镜阵列，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.根据权利要求1到6和10到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，

该光学散射装置(32)包括用于在水平方向上散射光线的双凸透镜和用于在垂直方向上散射光线的双凸透镜的层压的主体。

17.根据权利要求16所述的虚像显示设备，其特征在于，

用于在垂直方向上散射光线的双凸透镜的曲率小于用于在水平方向上散射光线的双凸透镜的曲率。

18.根据权利要求1到6和10到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，

该光学散射装置(32)包括：

形成在前面上用于在水平方向上散射光线的双凸透镜；以及

形成在后面上用于在垂直方向上散射光线的双凸透镜。

19.根据权利要求18所述的虚像显示设备，其特征在于，

用于在垂直方向上散射光线的双凸透镜的曲率小于用于在水平方向上散射光线的双凸透镜的曲率。

20.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，还包括：

用于在从光学投射系统到半透明反射装置(200)的通路中折射光线的棱镜片的光学装置(33)。

21.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，还包括：

用于在从光学投射系统到半透明反射装置(200)的通路中折射光线的偏轴类型的菲涅耳透镜的光学装置(33)。

22.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，还包括：

用于在从光学投射系统到半透明反射装置(200)的通路中折射光线的光学装置(33)，其中，来自光学投射系统(10、20)的光线的入射角比折射的光线的出射角大。

23.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，还包括：

用于在从光学投射系统(10、20)到半透明反射装置(200)的通路中折射光线的反射镜(42)。

24.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，还包括：

用于检测观察点(301、302)的位置的相机(40)；以及

根据检测的位置来引导光线的引导装置(42、44)，以便光线到达观察点。

25.根据权利要求24所述的虚像显示设备，其特征在于，该引导装置包括反射镜(42)，其旋转来引导光线。

26.根据权利要求24所述的虚像显示设备，其特征在于，该引导装置以滑动方式移动下面的部件中的至少一个，

这些部件为：

光学投射系统(10、20)；

图像位置光学系统(30)；

光学聚集装置(31)；

光学散射装置(32)；以及

光学放大装置(34)。

27.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，

显示装置(11)的图像提前变形，以便可以在没有变形的情况下获得从光学投射系统(10、20)投射的图像。

28.根据权利要求1到12中的任何一项所述的虚像显示设备，其特征在于，

显示装置(11)的图像提前变形，以便可以在没有变形的情况下获得在半透明反射装置(200)上的虚像。

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