CN103033935A

CN103033935A - 显示装置

Info

Publication number: CN103033935A
Application number: CN2012102158913A
Authority: CN
Inventors: 堀田相良; 岛川茂; 奥村治彦; 森屋彰久; 佐佐木隆
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: CN103033935B; US20130077175A1; US8929001B2; JP5458080B2; JP2013073070A

Abstract

一种显示装置，根据一个实施例，显示装置包括图像投影单元、光学单元和安装单元。图像投影单元发射图像光。光学单元包括具有第一主表面和第二主表面的第一光学层、具有第三主表面和第四主表面的第二光学层以及布置在第二主表面和第三主表面之间的中间层。从第一主表面朝着第二主表面传播的图像光的至少一部分由中间层反射。从第四主表面朝着第三主表面传播的背景光的至少一部分由中间层透射。第一主表面或第四主表面是弯曲表面。安装单元链接到图像投影单元和光学单元。

Description

显示装置

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2011年9月28日提交的在先日本专利申请No.2011-212663的优先权的利益；其全部内容包含于此以资参考。

技术领域

本文描述的实施例一般地涉及一种显示装置。

背景技术

已开发安装到用户(人类观看者)的头部以在用户的眼睛上进行显示的头戴式显示器。例如，已提出一种显示装置，在该显示装置中，反射表面位于透明构件的后表面上并且在反射表面反射的光被引导至用户的眼睛。

希望这种显示装置容易观看和使用。

附图说明

图1是显示根据第一实施例的显示装置的示意性剖视图；

图2是显示根据第一实施例的显示装置的示意性透视图；

图3是显示根据第一实施例的显示装置的使用的状态的示意图；

图4是显示根据第一实施例的显示装置的示意性平面图；

图5是显示根据第一实施例的显示装置的示意性平面图；

图6A至图6F是显示根据第一实施例的显示装置的示意性剖视图；

图7A和图7B是显示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性剖视图；

图8是显示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性平面图；

图9是显示根据第二实施例的显示装置的使用的状态的示意图；

图10A至图10F是显示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性剖视图；

图11A至图11C和图12A至图12C是显示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性剖视图；

图13是表示根据实施例的显示装置的结构的示意图。

具体实施方式

根据一个实施例，显示装置包括图像投影单元、光学单元和安装单元。图像投影单元发射包括图像的图像光。光学单元包括第一光学层、第二光学层和中间层。第一光学层具有第一主表面和位于与第一主表面相反的一侧的第二主表面。第一光学层是透光的。第二主表面包括凸出部分，凸出部分具有有着弯曲结构的表面。第二光学层具有第三主表面和位于与第三主表面相反的一侧的第四主表面。第二光学层是透光的。第三主表面面对第二主表面并包括凹入部分，凹入部分沿着凸出部分凹入。中间层布置在第二主表面和第三主表面之间。从第一主表面朝着第二主表面传播的图像光的至少一部分由中间层反射。在中间层获得反射光。从第四主表面朝着第三主表面传播的背景光的至少一部分由中间层透射。从第一主表面和第四主表面选择的至少一个是弯曲表面。安装单元链接到图像投影单元和光学单元以调节光学单元和人类观看者的眼睛之间的相对位置关系，以使图像光从第一主表面进入光学单元并且使反射光从第二主表面出现从而进入人类观看者的眼睛。

以下将参照附图描述各种实施例。

附图是示意性的或概念性的；并且各部分之间的尺寸的比例等不必与其实际值相同。甚至对于相同的部分，也可以在附图之间不同地表示尺寸和比例。

在本申请的附图和说明书中，利用相同的标号标记与前文关于附图描述的部件相似的部件，并且适当地省略详细描述。

第一实施例

图1是表示根据第一实施例的显示装置的结构的示意性剖视图。

图2是表示根据第一实施例的显示装置的结构的示意性透视图。

图3是表示根据第一实施例的显示装置的使用的状态的示意图。

图4是表示根据第一实施例的显示装置的结构的示意性平面图。

图1是沿着图4的线A1-A2的剖视图。

如图2中所示，根据实施例的显示装置110包括图像投影单元50、光学单元40和安装单元60。

图像投影单元50构造为发射包括图像的图像光51。图像光51是例如激光。

光学单元40布置在例如人类观看者80(用户)的眼睛81前面。例如，布置在人类观看者80的右眼前面的右眼光学单元40a可用作光学单元40。此外，布置在人类观看者80的左眼前面的左眼光学单元40b可用作光学单元40。从右眼光学单元40a和左眼光学单元40b选择的至少一个用作光学单元40。

例如，图像投影单元50使图像光51进入从右眼光学单元40a和左眼光学单元40b选择的至少一个。可提供使图像光进入右眼光学单元40a的右眼图像投影单元和使图像光进入左眼光学单元40b的左眼图像投影单元。

以下，描述这样的情况：右眼光学单元40a用作光学单元40。下面的描述也可应用于左眼光学单元40b。

安装单元60链接到图像投影单元50和光学单元40。安装单元60支撑图像投影单元50和光学单元40(例如，从右眼光学单元40a和左眼光学单元40b选择的至少一个)。

安装单元60可包括例如右侧安装构件60a、左侧安装构件60b和链接部分60c。右侧安装构件60a布置在例如人类观看者80的右侧的耳朵上。左侧安装构件60b布置在例如人类观看者80的左侧的耳朵上。链接部分60c链接到例如右侧安装构件60a和左侧安装构件60b。例如，链接部分60c支撑右眼光学单元40a和左眼光学单元40b。

显示装置110具有例如眼镜状或护目镜状结构。然而，实施例不限于此。显示装置110的结构是任意的。

如图2中所示，从图像投影单元50发射的图像光51进入光学单元40；并且通过由光学单元40反射图像光51获得的反射光52进入人类观看者80的眼睛81。

这里，从人类观看者80朝着前面的方向用作Z轴方向。从人类观看者80的左侧朝着右侧的方向用作X轴方向。从人类观看者80的下方向上的方向用作Y轴方向。X轴方向是从左眼光学单元40b朝着右眼光学单元40a的方向。Y轴方向是垂直于Z轴方向和X轴方向的方向。

如图3中所示，人类观看者80能够看到穿过光学单元40的透射光53中所包括的背景图像53i。显示装置110是例如光学透明（see-through）头戴式显示装置。

如图4中所示，光学单元40(例如，从右眼光学单元40a和左眼光学单元40b选择的至少一个)具有眼镜片状结构。

图1表示光学单元40的结构的例子。

如图1中所示，光学单元40包括第一光学层10、第二光学层20和中间层30。

第一光学层10包括第一主表面10a和第二主表面10b。第二主表面10b是第一光学层10在与第一主表面10a相反的一侧的表面。第二主表面10b包括凸出部分11。凸出部分11具有有着弯曲结构的表面。第一光学层10是透光的。

第二光学层20包括第三主表面20a和第四主表面20b。第三主表面20a面对第二主表面10b。第三主表面20a包括凹入部分21。凹入部分21沿着凸出部分11凹入。第四主表面20b是第二光学层20在与第三主表面20a相反的一侧的表面。第二光学层20是透光的。

从第一主表面10a和第四主表面20b选择的至少一个是弯曲表面。在这个例子中，第一主表面10a和第四主表面20b都是弯曲表面。

中间层30布置在第二主表面10b和第三主表面20a之间。中间层30接触例如第二主表面10b和第三主表面20a。中间层30反射从第一主表面10a朝着第二主表面10b传播的光(例如，图像光51)的至少一部分(例如，图像光51)。在中间层30获得反射光52。中间层30透射从第四主表面20b朝着第三主表面20a传播的光(例如，包括背景图像53i的背景光53b)的至少一部分。获得包括背景图像53i的透射光53。

安装单元60调节光学单元40和人类观看者80的眼睛81之间的相对位置关系，以使图像光51从第一主表面10a进入光学单元40并且使反射光52从第二主表面10b出现从而进入人类观看者80的眼睛81。通过在中间层30反射图像光51获得反射光52。

由此，能够提供容易观看和使用的显示装置。

第一光学层10和第二光学层20可包括对于可见光而言可透射的玻璃、树脂等。

中间层30可包括例如金属膜(例如，铝膜等)、金属化合物膜等。中间层30通过足够薄的中间层30的厚度反射图像光51并透射透射光53。

例如，由多层堆叠膜等制成的反射/透射膜可用作中间层30。这种多层堆叠膜具有例如波长选择性。例如，中间层30可包括多个第一层和布置在所述多个第一层之间的第二层，其中第二层具有与所述多个第一层的折射率不同的折射率。在这种情况下，中间层30也反射图像光51并透射透射光53。

有益地，中间层30对于可见光(例如，绿光)的透射比例如不小于90%(具有小于10%的反射比)。在中间层30的透射比太低的情况下，透射光53不能充分地到达眼睛81。通过中间层30的不小于90%的透射比，获得明亮的实际景象(作为真实空间中的图像的背景图像53i)。

在显示装置110中，布置在第二主表面10b中的凸出部分11凸出；并且布置在第三主表面20a中的凹入部分21凹入。例如，凸出部分11沿着Z轴方向按照弯曲结构凸出；并且凹入部分21沿着Z轴方向按照弯曲结构凹入。由此，当图像光51在中间层30反射时，中间层30用作例如凹面镜。通过在中间层30反射获得的反射光52中所包括的图像大于图像光51中所包括的图像。换句话说，中间层30的图像被放大。由此，显示装置110能够向人类观看者80提供可容易观看的显示。

在显示装置110中，例如，第一主表面10a的曲率不同于第四主表面20b的曲率。

在图1中表示的例子中，第四主表面20b按照弯曲结构凸出。第一主表面10a按照弯曲结构凹入。

在第一主表面10a的曲率大于第四主表面20b的曲率的情况下(在第一主表面10a的曲率半径小于第四主表面20b的曲率半径的情况下)，光学单元40用作用于透射光53的凹透镜。这种结构应用在图1中表示的光学单元40中。

相反地，在第一主表面10a的曲率小于第四主表面20b的曲率的情况下(在第一主表面10a的曲率半径大于第四主表面20b的曲率半径的情况下)，光学单元40用作例如用于透射光53的凸透镜。

在光学单元40用作凹透镜或凸透镜的情况下，光学单元40可用于校正人类观看者80的视力。

根据显示装置110，除了能够观看从图像投影单元50获得的图像之外，人类观看者80还能够经光学单元40在校正的视力的状态下观看背景图像53i。例如，显示装置110能够在为人类观看者80显示放大的可容易观看的显示图像的同时使人类观看者80可容易地观看背景图像53i。

因此，根据实施例根据显示装置110，能够提供容易观看和使用的显示装置。

尤其在作为光学透明显示装置的头戴式显示装置中，人类观看者80观看具有叠加的显示图像的背景图像53i。在这种情况下，对于一些人类观看者80存在这样的情况：使用具有用于校正视力的凹透镜、凸透镜等的眼镜观看背景图像53i。在显示显示图像时考虑人类观看者80的视力的校正使得显示图像容易观看的结构不是在传统上已知的。

多数普通眼镜的透镜(布置在眼睛前面的透光构件)在眼睛周围具有弯曲表面。因此，在头戴式显示装置的屏幕也在眼睛周围具有弯曲表面的情况下，用户不会感到很不适。例如，用户容易使用在眼睛周围具有弯曲表面结构的屏幕。例如，基于显示装置的外观、易用性等设计这种弯曲表面的曲率以与用户的偏好匹配。

另一方面，通过设计图像投影单元50的特性、光学单元40和眼睛81之间的距离等，用于为人类观看者80呈现显示图像的反射屏幕被设计为具有规定的结构和光学特性。

因此，希望独立于光学单元40的外形设计布置在眼睛81前面的反射屏幕的光学特性和外形。本发明人发现：光学透明显示装置具有特殊问题，诸如以上列举的在传统上不知道的问题。构造根据实施例的显示装置110的结构以解决这种新发现的问题。

在显示装置110中，适合显示图像的显示的设计被应用于用作反射屏幕的中间层30。另一方面，为观看背景图像53i而需要的设计被应用于光学单元40的外形和光学特性。

例如，光学单元40的第一主表面10a和第四主表面20b可具有弯曲结构。由此，由用户感到的不适减小并且容易使用。第一主表面10a和第四主表面20b可具有例如圆柱形结构(例如，具有X轴作为轴线的圆柱形结构或者具有Y轴作为轴线的圆柱形结构)。从第一主表面10a和第四主表面20b选择的一个可具有平面结构。

可设计光学单元40的第一主表面10a和第四主表面20b的结构，以使例如光学单元40用作用于穿过光学单元40的透射光53的凹透镜或凸透镜。由此，能够校正人类观看者80的视力。

例如，可考虑使用参考例子的结构，在该结构中，在光学单元40中不提供第二光学层20，并且光学单元40包括第一光学层10和布置在第一光学层10的第一主表面10a或第二主表面10b上的反射层。在这种参考例子中，图像光51在反射层反射；并且图像光51的反射光52进入人类观看者80的眼睛81。此时，包括背景图像53i的透射光53通过反射/透射的反射层进入人类观看者80的眼睛81。在这种结构中，当人类观看者80观看背景图像53i时，发生背景图像53i的失真。这是因为，当透射光53穿过反射层(反射/透射层)时在反射层发生折射效应。

相反地，在根据实施例的显示装置110中，反射图像光51的中间层30布置在第一光学层10和第二光学层20之间。因此，第一光学层10对透射光53的操作被第二光学层20对透射光53的操作补偿。因此，抑制了透射光53中所包括的背景图像53i的失真。

因此，显示装置110包括把图像投影单元50和从图像投影单元50提供的图像引导至眼睛的目镜光学系统。光学单元40用作该目镜光学系统。包括显示图像的图像光51被从眼睛81的侧面或者从人类观看者80的眼睛81上方朝着光学单元40投影。光学单元40拓宽视野并在抑制失真的状态下透射外部环境的背景图像53i。同时，光学单元40放大投影的图像并沿着眼睛81的方向反射放大的图像。由此，提供容易观看和使用的显示装置。

在根据实施例的显示装置110中，希望第一光学层10的折射率与第二光学层20的折射率相同。例如，希望第一光学层10的折射率和第二光学层20的折射率之差的绝对值不大于1×10^-3。由此，能够有效地抑制透射光53中所包括的背景图像53i的失真。

图5是表示根据第一实施例的显示装置的结构的示意性平面图。

如图5中所示，透射光53的光轴40o(主轴)存在于显示装置110的光学单元40中。光轴40o是当从光学单元40的第四主表面20b进入的光(透射光53)穿过第三主表面20a、中间层30、第二主表面10b和第一主表面10a时的光轴(主轴)。

例如，在光学单元40用作凹透镜或凸透镜的情况下，光学单元40的透射光53的光轴40o对应于凹透镜的光轴(主轴)或者凸透镜的光轴(主轴)。

另一方面，图像光51的光轴30o(主轴)存在于中间层30中。光轴30o是当图像光51从第一主表面10a进入光学单元40并在中间层30反射时的中间层30的光轴(主轴)。例如，光轴30o对应于反射光52的光轴(主轴)。

当中间层30用作凹面镜时，中间层30的针对图像光51的光轴30o对应于凹面镜的光轴(主轴)。

中间层30的针对图像光51的光轴30o基本上与光学单元40的针对透射光53的光轴40o匹配。

例如，当中间层30的针对图像光51的光轴30o相对于光学单元40的针对透射光53的光轴40o移走时，反射光52中所包括的显示图像和透射光53中所包括的背景图像53i的失真增加；并且获得良好图像的视野变窄。

有益地，从当图像光51从第一主表面10a进入光学单元40并在中间层30反射时的中间层30的光轴30o的位置(例如，在X-Y平面中的位置)到当光(透射光53)从第四主表面20b进入并穿过第三主表面20a、中间层30、第二主表面10b和第一主表面10a时的光轴40o的位置(例如，在X-Y平面中的位置)的距离不大于500微米(μm)。

通过光轴30o的位置和光轴40o的位置之间的距离不大于500微米，图像的失真实际上能够足够小；并且获得良好显示的视野实际上能够足够宽。由此，特别地，例如在通过在实际景象(背景图像53i)上叠加显示图像进行显示的AR(增强现实)显示中，能够把良好图像提供给人类观看者80。

图6A至图6F是表示根据第一实施例的显示装置的结构的示意性剖视图。

这些附图对应于例如沿着图4的线A1-A2的剖面。这些附图表示在根据实施例的显示装置110中可使用的其它光学单元的几个例子。

在如图6A所示的光学单元41a中，第一主表面10a基本上是平面。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。

在如图6B所示的光学单元41b中，第一主表面10a按照弯曲结构凹入。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。在这个例子中，第一主表面10a的曲率小于第四主表面20b的曲率。

在如图6C所示的光学单元41c中，第一主表面10a按照弯曲结构凸出。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。

在如图6D所示的光学单元41d中，第一主表面10a按照弯曲结构凸出。第四主表面20b基本上是平面。

光学单元41a、41b、41c和41d用作用于透射光53的凸透镜。

在如图6E所示的光学单元41e中，第一主表面10a按照弯曲结构凹入。第四主表面20b基本上是平面。光学单元41e用作用于透射光53的凹透镜。

在如图6F所示的光学单元41f中，第一主表面10a按照弯曲结构凹入。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。第一主表面10a的曲率与第四主表面20b的曲率相同。第四主表面20b平行于第一主表面10a。

光学单元41f不用于放大或减小透射光53的图像。例如，光学单元41f满足用户的设计偏好或者向用户提供易用性。

第二实施例

根据本实施例的显示装置的光学单元的结构不同于第一实施例的光学单元。现在将描述与第一实施例的光学单元的例子不同的本实施例的光学单元的例子的点；并且省略除光学单元之外的结构的描述。

图7A和图7B是表示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性剖视图。

图7A对应于例如沿着图4的线A1-A2的剖面并且是例如当由Z-Y平面切割时的剖视图。图7B对应于图4的A3-A4的剖面并且是例如当由Z-X平面切割时的剖视图。

图8是表示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性平面图；

图9是表示根据第二实施例的显示装置的使用的状态的示意图。

在如图7A、图7B和图8中所示的根据实施例的显示装置120的光学单元42中，第二主表面10b还包括多个凸出处12。所述多个凸出处12布置在凸出部分11周围。所述多个凸出处12中的每一个在X-Y平面中布置在凸出部分11周围。所述多个凸出处12中的每一个与凸出部分同心。

此外，第三主表面20a还包括多个凹入处22。所述多个凹入处22布置在凹入部分21周围。所述多个凹入处22中的每一个在X-Y平面中布置在凹入部分21周围。所述多个凹入处22中的每一个与凹入部分21同心。所述多个凹入处22分别与所述多个凸出处12一致。

第二主表面10b具有Fresnel透镜的表面结构。在第二主表面10b中，凸出部分11和所述多个凸出处12形成Fresnel透镜的表面。第三主表面20a具有Fresnel透镜的表面结构。在第三主表面20a中，凹入部分21和所述多个凹入处22形成Fresnel透镜的表面。

由此，中间层30用作具有Fresnel透镜的结构的凹面镜。

通过第二主表面10b具有Fresnel透镜的表面结构以及通过第三主表面20a具有Fresnel透镜的表面结构，在增加(保持)中间层30的整个凹面镜的曲率的同时，整个光学单元42能够比较薄。

如图9中所示，在显示装置120中，从图像投影单元50发射的图像光51也从第一主表面10a进入光学单元42。通过在中间层30反射图像光51获得的反射光52从第二主表面10b出现以到达人类观看者80的眼睛81。另一方面，从第四主表面20b进入的包括背景图像53i的光(透射光53)通过穿过光学单元42进入眼睛81。

在显示装置120中，Fresnel镜(例如，中间层30)布置在光学单元42的内部。换句话说，形成Fresnel镜的不平坦表面位于眼镜片的内部；并且反射膜形成在该不平坦表面上。例如，Fresnel透镜的不平坦可形成在用于形成第一光学层10的基底构件的表面中；中间层30可形成在该不平坦上；并且用于形成第二光学层20的基底构件可形成在中间层30上。或者，例如，Fresnel透镜的不平坦可形成在用于形成第二光学层20的基底构件的表面中；中间层30可形成在该不平坦上；并且用于形成第一光学层10的基底构件可形成在中间层30上。

在这种情况下，第一光学层10和第二光学层20也可以包括透明玻璃、树脂等。然后，形成半透反射膜(铝的金属沉积、由多层膜制成的波长选择性膜等)以形成中间层30。中间层30的透射比可以例如不小于90%。

因为通过使用Fresnel透镜的结构能够使整体较薄，所以能够形成光学薄片以包括具有Fresnel透镜状结构的中间层30、第一光学层10和第二光学层20，以使第四主表面20b平行于第一主表面10a。可以考虑使用这样的结构：这种光学薄片粘附于眼镜片的内表面或外表面。然而，在这种光学片粘附在具有弯曲结构的眼镜片的情况下，光学片沿着眼镜片的弯曲表面弯曲；Fresnel透镜的所述多个凸出处12和所述多个凹入处22从预定结构改变；并且未获得所希望的特性。

另外，对第二主表面10b和第三主表面20a进行图案化处理以考虑粘附在具有弯曲结构的眼镜片上在实际上极为困难并且不现实。

因此，发现在具有片状结构的Fresnel镜粘附于头戴式显示装置中的具有弯曲结构的眼镜片部分的情况下，不能确保所希望的光学特性，该头戴式显示装置具有这样的结构：在眼镜片部分中使用Fresnel镜，该Fresnel镜用于形成显示图像的反射表面。在弯曲成弯曲结构时工作的Fresnel镜的设计和制造是很困难的。

相反地，在根据实施例的显示装置120中，能够容易地构造具有所希望的特性的光学单元42。例如，使用例如在其表面具有Fresnel透镜结构的模具形成包括第二主表面10b的基底构件(例如，透明树脂等)。这种基底构件可以是玻璃等。在这种情况下，通过诸如蚀刻、机加工等的方法，Fresnel透镜结构的表面可形成在变为第二主表面10b的表面中。随后，通过例如气相沉积等，中间层30形成在第二主表面10b上。随后，例如，用于形成第二光学层20的一层透明树脂材料形成在中间层30上。随后，通过任何方法按照任何结构形成第一主表面10a和第四主表面20b。由此，容易地获得具有所希望的光学特性(图像光51的光学特性和透射光53的光学特性)的光学单元42。以上列举的制造方法是例子；并且用于制造的任何方法可应用在该实施例中。

通过把如此获得的光学单元42和图像投影单元50安装到安装单元60，来获得显示装置120(和显示装置110等)。

如图7A和图7B中所示，所述多个凸出处12沿着Z轴方向具有高度h。此外，所述多个凹入处22沿着Z轴方向具有深度h。

所述多个凸出处12(凹入处22)之间的沿着X轴方向的距离是例如距离px。所述多个凹入处22(凸出处12)之间的沿着Y轴方向的距离是例如距离py。

如图8中所示，在显示装置120中，同样有益地，中间层30的针对图像光51的光轴30o基本上与光学单元40的针对透射光53的光轴40o匹配。有益地，光轴30o的位置和光轴40o的位置之间的距离不大于500μm。

如图8中所示，在X轴方向上所述多个凸出处12中的两个最接近的凸出处12之间的距离(例如，间距)是距离px1和距离px2。例如，距离px1是第一主表面10a的一个X轴方向末端和针对图像光51(反射光52)的光轴30o之间的区域中的多个凸出处12之间的间隔。例如，距离px2是第一主表面10a的另一X轴方向末端和针对图像光51的光轴30o之间的区域中的多个凸出处12之间的间隔。在这个例子中，距离px1基本上等于距离px2。

在Y轴方向上所述多个凸出处12中的两个最接近的凸出处12之间的距离(例如，间距)是距离py1和距离py2。例如，距离px1是第一主表面10a的一个Y轴方向末端和针对图像光51的光轴30o之间的区域中的多个凸出处12之间的间隔。例如，距离py2是第一主表面10a的另一Y轴方向末端和针对图像光51的光轴30o之间的区域中的多个凸出处12之间的间隔。在这个例子中，距离py1基本上等于距离py2。此外，距离py1基本上等于距离px1。

换句话说，在这个例子中，如沿着Z轴方向所见，凸出部分11具有圆形结构；并且所述多个凸出处12是同心圆。

有益地，所述多个凸出处12中的两个最接近的凸出处12之间的距离(例如，间距，诸如距离px1、距离px2、距离py1和距离py2等)不小于100μm并且不大于1000μm。类似地，有益地，所述多个凹入处22中的两个最接近的凹入处22之间的距离不小于100μm并且不大于1000μm。

在Fresnel透镜结构的间距太窄的情况下，图像质量由于衍射的影响而降低。通过间距宽度不小于100μm基本上能够抑制图像质量的降低。在Fresnel透镜结构的间距太宽的情况下，所述多个凸出处12或所述多个凹入处22容易变得明显；并且图像质量降低。在该实施例中，光学单元的第一主表面10a和人类观看者80的眼睛81之间的距离例如不小于5毫米(mm)并且不大于30mm。当间距不大于1000μm时由粗大间距引起的图像质量的降低实际上是允许的，因为当第一主表面10a和人类观看者80的眼睛81之间的距离这么短时眼睛不能聚焦。

在显示装置120中，Fresnel镜表面内置于光学单元42的内部。因此，例如，关于外部环境的背景图像53i，光学单元42以类似于普通眼镜的方式工作。同时，关于投影的显示图像，光学单元42用作反射屏幕。由此，可实现具有低失真和宽视野的显示。特别地，在AR显示中，能够把良好图像提供给人类观看者80。

图10A至图10F是表示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性剖视图。

这些附图对应于例如沿着图4的线A1-A2的剖面。这些附图表示在根据实施例的显示装置120中可使用的光学单元的几个例子。

在如图10A所示的光学单元42a中，第一主表面10a基本上是平面。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。

在如图10B所示的光学单元42b中，第一主表面10a按照弯曲结构凹入。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。在这个例子中，第一主表面10a的曲率小于第四主表面20b的曲率。

在如图10C所示的光学单元42c中，第一主表面10a按照弯曲结构凸出。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。

在如图10D所示的光学单元42d中，第一主表面10a按照弯曲结构凸出。第四主表面20b基本上是平面。

光学单元42a、42b、42c和42d用作用于透射光53的凸透镜。

在如图10E所示的光学单元42e中，第一主表面10a按照弯曲结构凹入。第四主表面20b基本上是平面。光学单元42e用作用于透射光53的凹透镜。

在如图10F所示的光学单元42f中，第一主表面10a按照弯曲结构凹入。第四主表面20b按照弯曲结构凸出。第一主表面10a的曲率与第四主表面20b的曲率相同。第四主表面20b平行于第一主表面10a。

光学单元42f不用于放大或减小透射光53的图像。例如，光学单元42f满足用户的设计偏好或者向用户提供易用性。

在根据实施例的显示装置110和120中，图像光51被从眼睛81的侧面或者从眼睛81上方投影在布置在人类观看者80的眼睛81前面的光学单元上。此时，通过不对称的光学单元的反射特性能够减小图像的失真。例如，光学单元的反射特性关于包括从第一主表面10a朝着第二主表面10b的方向的平面不对称。现在将描述显示装置120使用Fresnel透镜的结构的情况。

图11A至图11C和图12A至图12C是表示根据第二实施例的显示装置的结构的示意性剖视图。

这些附图表示在根据实施例的显示装置120中可使用的光学单元的几个例子。这些附图表示布置在光学单元中的Fresnel透镜的结构，即凸出部分11和所述多个凸出处12的结构(凹入部分21和所述多个凹入处22的结构)。

在如图11A所示的光学单元43a中，当沿着Z轴观看时的凸出部分11的结构是平面圆(flattened circle，包括椭圆)。当沿着Z轴观看时的所述多个凸出处12的结构是同心平面圆。

在这个例子中，沿着凸出部分11的X轴方向的长度长于沿着凸出部分11的Y轴方向的长度。在一个凸出处12中，沿着X轴方向的长度长于沿着Y轴方向的长度。距离px1和距离px2长于距离py1和距离py1。

在如图11B所示的光学单元43b中，当沿着Z轴观看时的凸出部分11的结构是平面圆(包括椭圆)。当沿着Z轴观看时的所述多个凸出处12的结构是同心平面圆。

在这个例子中，沿着凸出部分11的X轴方向的长度短于沿着凸出部分11的Y轴方向的长度。在一个凸出处12中，沿着X轴方向的长度短于沿着Y轴方向的长度。距离px1和距离px2短于距离py1和距离py1。

因此，沿着垂直于从第一主表面10a朝着第二主表面10b的第一方向(例如，Z轴方向)的第二方向(例如，X轴方向)的所述多个凸出处12之间的间隔(例如，距离px1和距离px2)可不同于沿着垂直于第一方向和第二方向的第三方向(例如，Y轴方向)的所述多个凸出处12之间的间隔(例如，距离py1和距离py2)。

例如，基于例如光学单元、图像投影单元50和人类观看者80的眼睛81的相对位置，合适地定义沿着X轴方向的距离px1和距离px2以及沿着Y轴方向的距离py1和距离py1之间的关系。

所述多个凸出处12之间的所述多个凸出处12中的每个凸出处12的高度h的变化可在X轴方向和Y轴方向之间变化。

在如图11C所示的光学单元43c中，当沿着Z轴观看时的凸出部分11的结构是平面圆(包括椭圆)；并且平面圆的轴线围绕Z轴旋转。例如，凸出部分11的主轴的方向用作X1轴方向；并且短轴方向的轴线用作Y1轴方向。在这个例子中，X1轴不平行于X轴；并且Y1轴不平行于Y轴。

在如图12A所示的光学单元43d中，当沿着Z轴观看时的凸出部分11的结构关于X轴(轴30x)不对称。在这个例子中，在一个位置的所述多个凸出处12之间的间隔(例如，距离py1)不同于在针对所述一个位置关于X轴对称的位置的所述多个凸出处12之间的间隔(例如，距离py2)。因此，所述多个凸出处12之间的间隔可以在X轴方向上不对称。

在如图12B所示的光学单元43e中，当沿着Z轴观看时的凸出部分11的结构关于Y轴(轴30y)不对称。在这个例子中，在一个位置的所述多个凸出处12之间的间隔(例如，距离px1)不同于在针对所述一个位置关于Y轴对称的位置的所述多个凸出处12之间的间隔(例如，距离px2)。因此，所述多个凸出处12之间的间隔可以在Y轴方向上不对称。

在如图12C所示的光学单元43f中，当沿着Z轴观看时的凸出部分11的结构关于X轴(轴30x)不对称并且关于Y轴(轴30y)不对称。在这个例子中，距离py1不同于距离py2；并且距离px1不同于距离px2。

光学单元43f的多个凸出处12可以是围绕Z轴旋转的光学单元43e的多个凸出处12。换句话说，在光学单元43f中，X1轴不平行于X轴；并且Y1轴不平行于Y轴。

实施例不限于此。所述多个凸出处12的结构是任意的。

如人类观看者80所见，所述多个凸出处12之间的所述多个凸出处12中的每个凸出处12的高度h的变化可在上侧和下侧之间变化。如人类观看者80所见，所述多个凸出处12之间的所述多个凸出处12中的每个凸出处12的高度h的变化可在左侧和右侧之间变化。如人类观看者80所见，所述多个凸出处12之间的所述多个凸出处12中的每个凸出处12的高度h的变化可在上侧和下侧之间以及同时在左侧和右侧之间变化。

在垂直于Z轴方向的任何轴(例如，第二轴)和第二主表面10b的一端之间的区域与第二轴和第二主表面10b的另一端之间的区域之间，所述多个凸出处12中的每个凸出处12的高度h可以不同。

图13是表示根据实施例的显示装置的结构的示意图。

图13表示能够用在根据以上列举的实施例的显示装置110和120中的图像投影单元50的结构的一个例子。

在这个例子中，扫描激光器直接视网膜显示器（scanning laser directretinal display）用作图像投影单元50。

如图13中所示，图像投影单元50包括图像引擎112和光学元件70。在这个例子中，图像引擎112包括光源111(蓝光源111B、绿光源111G和红光源111R)和光学开关112a。在这个例子中，光学元件70包括目镜光学系统(例如，透镜等)。光学元件70可包括例如中继光学系统等。

蓝光源111B、绿光源111G和红光源111R可分别包括蓝色激光器、绿色激光器和红色激光器。光学开关112a可包括例如MEMS(微机电系统)扫描器。

从光源111输出具有根据图像信号调整的亮度的光。从光源111输出的光入射在MEMS装置的反射表面上。MEMS扫描器改变入射光的方向。沿着水平方向和垂直方向扫描在MEMS扫描器反射的光。由此，形成图像。

光学元件70和光学单元布置在MEMS扫描器和人类观看者80的眼睛81之间的光路中。光学单元可包括从关于第一和第二实施例描述的光学单元或关于第一和第二实施例描述的光学单元的变型选择的一个。现在将描述光学单元40用作该光学单元的情况。

光学单元40反射扫描光(图像光51)；并且反射光52进入人类观看者80的眼睛81。由此，图像显示在眼睛81的视网膜表面上。在这个例子中，光学元件70布置在MEMS扫描器和眼睛81之间的光路中；并且光学单元40布置在光学元件70和眼睛81之间的光路中。

人类观看者80能够通过光学单元40观看实际景象和由图像投影单元50显示的显示图像。由此，显示图像看起来覆盖在实际景象上。

根据实施例，提供了容易观看和使用的显示装置。

以上，参照特定例子描述了本发明的示例性实施例。然而，本发明的实施例不限于这些特定例子。例如，通过从已知技术合适地选择显示装置中所包括的部件(诸如，图像投影单元、光学单元、第一光学层、第二光学层、中间层、安装单元等)的特定结构，本领域技术人员可类似地实施本发明；并且就获得类似的效果而言，这种实施被包括在本发明的范围中。

另外，特定例子的任何两个或更多个部件可以在技术可行性的程度内组合并且就包括本发明的主旨而言被包括在本发明的范围中。

此外，就包括本发明的精神而言，由本领域技术人员基于以上作为本发明实施例描述的显示装置通过合适的设计变型可实施的所有显示装置落在本发明的范围内。

在本发明的精神内能够由本领域技术人员设想各种其它修改和变型，并且应该理解，这种修改和变型也被包括在本发明的范围内。

尽管已描述了某些实施例，但仅作为示例提供这些实施例，而非意图限制本发明的范围。实际上，本文描述的新的实施例可体现为各种其它形式；另外，在不脱离本发明的精神的情况下，可做出本文描述的实施例的形式上的各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在涵盖这些形式或变型，因为它们将会落在本发明的范围和精神内。

Claims

1.一种显示装置，包括：

图像投影单元，用于发射包括图像的图像光；

光学单元，包括：

第一光学层，具有第一主表面和位于与第一主表面相反的一侧的第二主表面，第一光学层是透光的，第二主表面包括凸出部分，凸出部分具有有着弯曲结构的表面；

第二光学层，具有第三主表面和位于与第三主表面相反的一侧的第四主表面，第二光学层是透光的，第三主表面面对第二主表面并包括凹入部分，凹入部分沿着所述凸出部分凹入；和

中间层，布置在第二主表面和第三主表面之间，从第一主表面朝着第二主表面传播的图像光的至少一部分由中间层反射并且在中间层获得反射光，从第四主表面朝着第三主表面传播的背景光的至少一部分由中间层透射，

从第一主表面和第四主表面中选择的至少一个表面是弯曲表面；和

安装单元，链接到图像投影单元和光学单元以调节光学单元和人类观看者的眼睛之间的相对位置关系，以使所述图像光从第一主表面进入光学单元并且使所述反射光从第二主表面出现从而进入人类观看者的眼睛。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一主表面的曲率大于第四主表面的曲率。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一主表面的曲率小于第四主表面的曲率。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当图像光从第一主表面进入光学单元并在中间层反射时的中间层的光轴与当从第四主表面进入的光穿过第三主表面、中间层、第二主表面和第一主表面时的光轴匹配。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当图像光从第一主表面进入光学单元并在中间层反射时的中间层的光轴与当从第四主表面进入的光穿过第三主表面、中间层、第二主表面和第一主表面时的光轴之间的距离不大于500微米。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二主表面还包括多个凸出处，所述多个凸出处布置在所述凸出部分周围以与凸出部分同心，以及

第三主表面还包括多个凹入处，所述多个凹入处布置在所述凹入部分周围以与凹入部分同心，所述多个凸出处中的每个凸出处与所述多个凹入处中的每个凹入处一致。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个凸出处中的两个最接近的凸出处之间的距离不小于100微米并且不大于1000微米。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，沿着垂直于从第一主表面朝着第二主表面的第一方向的第二方向的所述多个凸出处之间的间隔不同于沿着垂直于第一方向和第二方向的第三方向的所述多个凸出处之间的间隔。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，凸出部分具有当沿着从第一主表面朝着第二主表面的第一方向观察的圆形结构，并且所述多个凸出处围绕凸出部分的圆形结构的中心是同心的。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学层的折射率与第二光学层的折射率相同。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学层的折射率和第二光学层的折射率之差的绝对值不大于1×10^-3。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间层是金属膜或金属化合物膜。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像光是激光。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像投影单元构造为发射包括蓝色激光、绿色激光和红色激光的图像光。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间层包括多个第一层和布置在第一层之间的第二层，第二层具有与第一层的折射率不同的折射率。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间层对于绿光的透射比不小于90%。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学层和第二光学层中的至少一个的材料是透明树脂。

18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学单元的反射特性是不对称的。

19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，凸出部分具有当沿着从第一主表面朝着第二主表面的第一方向观察的平面圆形结构。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学单元构造为校正人类观看者的视力。