CN105278104A - 能够确保周边宽视场的透视型显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透视型影像显示装置，本发明提供一种在两眼之间的可见区域无障碍物从而能够识别如自然状态那样宽阔的前方状况的、能够确保周边宽视场的透视型显示装置，该装置包括：显示控制板；按照在上述显示控制板所生成的影像信号而发出影像光的显示元件；第一棱镜，其具有与上述显示元件平行的入射面、倾斜的第一出射面、以及垂直于上述入射面的第二出射面；部分反射滤光器，其使从上述第一棱镜出射的影像光一部分反射且使剩余部分透射；以及，第二棱镜，其具有与上述第一棱镜的第一出射面相同的角度的入射面、使从该入射面入射的影像光以正光焦度来反射而向使用者的瞳孔引导的曲面反射面、以及向上述使用者的瞳孔出射影像光的出射面。

Description

能够确保周边宽视场的透视型显示装置

技术领域

本发明涉及一种透视型影像显示装置，尤其涉及在两眼之间的可见区域无障碍物从而能够识别如自然状态那样宽阔的前方状况的、能够确保周边宽视场的透视型显示装置(See-throughtypedisplayapparatusbeingabletoensurewidefieldofsurroundview)。

背景技术

一般来讲，显示装置是利用精密的光学装置使在非常靠近眼睛的位置产生的影像光以能够在远处构成虚拟的大屏幕的方式形成焦点，从而使得使用者能够看到被放大的虚像的图像显示装置，该显示装置分为仅能够看得到在显示元件所发散的影像光而周围环境是看不见的封闭式(See-close)和不仅通过窗口能够看得到周围环境，而且同时能够看得到在显示元件所发散的影像光的透视式(See-through)，而图1示出了根据现有技术的透视式显示装置的例。

首先，图1是日本专利公报JP2004101197A(2004年4月2日)所公告的根据现有技术的透视式眼镜型显示装置的光学系统，其是包括一个照明光源3、一个显示元件4、一个部分反射板5、一个曲面镜6而构成的透视式眼镜型显示装置。

就上述现有技术而言，从照明光源3发出的光束通过显示元件4且变成影像光，并在部分反射板5一部分透射，且一部分反射而在配置于前方的曲面镜6以获取了正光焦度(positivepower)的状态被反射，影像光的一部分再次在部分反射板5反射而朝向显示元件4方向，其余部分透射部分反射板5而以被放大的影像成像于使用者的瞳孔。

然而，就这种方式的现有技术而言，在假定从光源发出的光束的大小为100时，光束强度在上述部分反射板5和上述曲面镜6分别减少50％，且再次透射部分反射板5而减半，从而与最初的光束强度相比，仅有12.5％传递至使用者的瞳孔，因而所具有的光效非常低，且随反射和透射次数而追加产生表面反射等光损失，因而光效会进一步降低。此外，由于曲面镜6配置于使用者面前，因而在构成护目镜的情况下，护目镜的厚度变大，其结果不仅体积和重量变大，而且重心远离使用者，从而在作为眼镜型而佩戴的情况下，因其重量而加重使用者鼻子负担，因而佩戴起来非常不便。

另外，根据现有技术，由于左右两眼用画面须以利用了反射镜的同轴光学系统来构成，因而不能以一个曲面镜来应对两眼，须在左右分别构成曲面镜，这一点可从图2所示的根据现有技术的透视型显示装置相片确认。

参照图2，在用于左右两眼的各个曲面镜之间需要有用于固定各个曲面镜和部分反射板的壳体，这样一来成为左眼和右眼独立地观看在显示器出射的图像的构造。然而，这种构造虽然将在上述曲面镜所反射的虚拟图像收视起来没有问题，但若要观看透射上述曲面镜和部分反射板而传递的外部图像，则由于在两眼中央附近存在壳体所形成的间壁，因而仅能看得见有限的区域的外部图像，使得使用者烦闷，在将这种显示装置在外部使用的情况下产生盲区，因而存在稍不留神就会发生事故的问题。

图3a是简单地表示了用于说明前面所述的两眼之间的视场遮挡现象的、根据现有技术的透视型显示装置的俯视图的图，图3b是表示了在如图3a那样的透视型显示装置所透射的外部图像的形象的图。

参考图3a，人的视场角在使视线固定在眼睛中央部的前方的情况下，相当于角度b的角度大致为90度左右，但在佩戴了如图2那样的透视型显示装置的情况下，使用者由于配置在两眼前面的曲面镜和壳体而在外部的图像31中两眼均各自仅仅确保相当于角度a的视场角。这样一来，两眼能够正常观察的像所重叠的区域限制在区域c，因而使用者会产生中央被阻挡的非常烦闷的感觉，且两眼所看到的是不同状态的图像，因此，在长时间使用这种装置的情况下，存在使得使用者容易感到眼睛疲倦和头晕目眩的问题。

另外，如图3b中所图示，在使用这种透视型显示装置的情况下，存在使用者只能以如在两眼的中央部位产生有角度a左右的间壁的感觉来有限地观看外部全景的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公报JP2004101197A(2004年4月2日)

发明内容

所要解决的问题

因此，用于解决上述问题的本发明的目的在于提供一种在两眼之间的可见区域无障碍物从而能够识别如自然状态那样宽阔的前方状况的、能够确保周边宽视场的透视型显示装置。

另外，本发明的另一目的在于提供一种具有有效的光束引导构造从而能够获取明亮而鲜明的图像的透视型显示装置。

另外，本发明的其它目的在于提供一种同时向两眼提供影像光从而能够具体实现3D影像的透视型显示装置。

另外，本发明的另一目的在于提供一种一个光学模块同时负责两眼而自身就能够起窗口作用，从而无需另外的壳体，因而不仅能够减少重量和体积，而且使得装配简便，从而能够减少制造费用和产品单价的透视型显示装置。

解决问题方案

旨在达到上述目的的、根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，包括：显示控制板(displaycontrolboard)；显示元件，其按照在上述显示控制板所生成的影像信号而发出影像光；一个第一棱镜，其位于上述显示元件的下表面且具有比两眼间距长的长度，并具有与上述显示元件平行的入射面、垂直地通过了上述入射面的影像光所倾斜地出射的倾斜的第一出射面、以及垂直于上述入射面的第二出射面；部分反射滤光器(filter)，其使从上述第一棱镜出射的影像光一部分反射且使剩余部分透射；以及，一个第二棱镜，其位于上述部分反射滤光器的下表面且具有比两眼间距长的长度，且其与上述第一棱镜的第一出射面相同的角度的入射面、使从该入射面入射的影像光以正光焦度来反射而向使用者的瞳孔引导的曲面反射面、以及向上述使用者的瞳孔出射影像光的出射面形成为一体。

此时，在根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置中，上述第一棱镜的第一出射面、上述部分反射滤光器、以及上述第二棱镜的入射面最好利用粘合剂而以防止产生空气层的方式结合。

另外，在根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置中，上述第一棱镜的第二出射面和上述第二棱镜的出射面最好彼此平行地配置，以防所透射的外部图像畸变或产生色像差。

另外，旨在达到上述目的的、根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，包括：显示控制板；显示元件，其按照在上述显示控制板所生成的影像信号而发出影像光；一个第一棱镜，其位于上述显示元件的下表面且具有比两眼间距长的长度，并具有与上述显示元件平行的入射面和倾斜的出射面，该出射面使垂直地通过了上述入射面的影像光倾斜地出射；部分反射滤光器，其使从上述第一棱镜出射的影像光一部分反射且使剩余部分透射；一个第二棱镜，其位于上述部分反射滤光器的下表面且具有比两眼间距长的长度，且其具有与上述第一棱镜的倾斜的出射面相同的角度的入射面；曲面镜，其位于上述第二棱镜的下部且使从上述第二棱镜出射的影像光以正光焦度来反射而向使用者的瞳孔引导；以及，相位转换薄膜，其插入于上述第二棱镜的下表面与上述曲面镜的上表面之间。

此时，在根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置中，上述部分反射滤光器最好是偏光薄膜。

另外，在根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置中，上述第一棱镜的倾斜的出射面、上述部分反射滤光器、以及上述第二棱镜的入射面最好利用粘合剂而以防止产生空气层的方式结合。

发明效果

本发明具有在两眼之间的可见区域无障碍物从而能够识别如自然状态那样宽阔的前方状况，由此在户外或移动中佩戴时也能够预防因盲区而导致的事故的优点。

另外，本发明具有有效的光束引导构造，因而具有能够获取明亮而鲜明的图像的优点。

另外，本发明同时向两眼提供影像光，因而具有能够具体实现3D影像的优点。

另外，本发明由于一个光学模块同时负责两眼而自身就能够起窗口作用，从而无需另外的壳体，因而具有能够大为减少重量和体积的效果，且装配简便从而具有能够减少制造费用和产品单价的好处。

附图说明

图1是示意性地表示了根据现有技术的透视型显示装置的光学系统的剖视图。

图2是根据现有技术的透视型显示装置的相片。

图3a是用于说明根据图2的现有技术的透视型显示装置的、两眼之间的视场遮挡现象的俯视图。

图3b是用于说明根据图2的现有技术的透视型显示装置的、两眼之间的视场遮挡现象的佩戴状态图。

图4是根据本发明的优选实施例的、能够确保周边宽视场的透视型显示装置的分解立体图。

图5是表示了根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的光路的剖视图。

图6是表示了根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的、两眼之间的视场遮挡现象所消除的状态的佩戴状态图。

图7是根据本发明的另一实施例的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的分解立体图。

符号说明

40—显示器控制板，41—显示元件，42—第一棱镜，421—第一棱镜入射面，422—第一出射面，423—第二出射面，43—部分反射滤光器，44—第二棱镜，441—第二棱镜入射面，442—曲面反射面，443—第二棱镜出射面。

具体实施方式

下面将参照各附图详细说明本发明的各优选实施例。需要注意的是，各图中各相同的符号无论在何处也尽可能表示相同的构成。在下述说明中出现各个具体特定事项，而这只是为了有助于更为全盘地理解本发明而提供的，并不是要将本发明限定在特定的实施方式，应当理解成涵盖包括在本发明的思想和技术范围内的所有变更、等同物以至替代物。而且，在说明本发明过程中，在判断为对于相关的公知功能或构成的具体说明有可能使本发明的要旨不必要地模糊的情况下省略其详细说明。

第一、第二等用语虽然能够用于说明多种构成要素，但上述各构成要素不得由上述各用语所限定。上述各用语仅仅用于使一个构成要素区别于其它构成要素的目的。例如，在不逸出本发明的权利范围的情况下第一构成要素能够被命名为第二构成要素，与此类似地、第二构成要素也能够被命名为第一构成要素。所谓“和/或”的用语包括多个相关而记载的各项目的组合或多个相关而记载的各项目中的某一项目。

在提及到某个构成要素与另一构成要素“连接”或“接合”时，虽然可以理解为与该另一构成要素直接连接或接合，但应当理解为两者之间还能够存在其它构成要素。与此相反，在提及到某个构成要素与另一构成要素“直接连接”或“直接接合”时，应当理解为两者之间并不存在其它构成要素。

在详细的说明中所使用的用语只是为了说明特定的实施例而使用的，并无限定本发明的意图。单个的表达除非文脉上明显地另具其他含义，否则就包括多个表达。在本申请中，“包括”或“具有”等用语应当理解为只是为了指出说明书中所记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、配件或它们的组合存在，并不是预先排除一个或其以上的其它各个特征或数字、步骤、动作、构成要素、配件或它们的组合的存在或附加可能性。

除非另有定义，这里所使用的包括技术或科学用语在内的所有用语具有与本领域普通技术人员所一般理解的含义相同的含义。如在通常使用的词典中所定义那样的各用语应当解释为具有与相关技术的文脉中所含的含义一致的含义，除非在本申请中并未清楚地定义，否则就不得解释成理想的或过度地形式上的含义。

首先，图4是根据本发明的优选实施例的、能够确保周边宽视场的透视型显示装置的分解立体图，根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置由一个显示控制板40、两个显示元件41、一个第一棱镜42、一个部分反射滤光器43、以及一个第二棱镜44构成。

参照图4，第一棱镜42由形成与两个显示元件41平行的上表面的入射面421、倾斜地形成于上述第一棱镜42的下表面的第一出射面422、以及与上述入射面421垂直地形成而形成上述第一棱镜42的前表面的第二出射面423构成。

另外，上述部分反射滤光器43其上表面与上述第一棱镜42的第一出射面422粘合。此时，上述部分反射滤光器43使用通常结合透镜时所使用的UV粘合剂而与上述第一棱镜42的第一出射面422牢固地结合以防在与上述第一棱镜42的第一出射面422之间产生空气层。

第二棱镜44由与上述部分反射滤光器43的下表面粘合的入射面441、形成上述第二棱镜44的下表面的曲面反射面442、以及形成上述第二棱镜44的背面并将在上述第二棱镜44所发出的影像光向使用者出射的出射面443构成。

如图4中所图示，按照在显示控制板40生成的影像信号而从两个显示元件41所发出的影像光经位于两个显示元件41的下表面且具有比两眼间距长的长度的第一棱镜42的入射面421而向棱镜内部垂直地入射之后经倾斜地配置的第一出射面422而从第一棱镜42出射。

经第一出射面422而从第一棱镜42出射的影像光中一定量的影像光在部分反射滤光器43被反射而沿着水平重新入射第一棱镜42之后经第二出射面423而向外部漏泄，在上述部分反射滤光器43未被反射的剩余的影像光透射上述部分反射滤光器43。

透射了上述部分反射滤光器43的影像光倾斜地向与第一棱镜相接且具有比两眼间距长的长度的第二棱镜44的入射面441入射之后，在以使影像光具有正光焦度的方式构成的曲面反射面442被反射而沿着相反方向返回。

在上述曲面反射面442被反射而返回的影像光经上述入射面441而在上述部分反射滤光器43被反射一定量，在上述部分反射滤光器43被反射的一定量的影像光沿着水平重新入射上述第二棱镜44的入射面441之后通过出射面443出射而成像于使用者的瞳孔。

此时，上述第一棱镜42的第二出射面423和上述第二棱镜44的出射面443最好以彼此平行的方式配置以防所透射的外部图像畸变或产生色像差。

另外，上述第一棱镜42的第一出射面422和上述部分反射滤光器43以及上述第二棱镜44的入射面441利用粘合剂而牢固地结合以防产生空气层，从而与现有的光束分离器(beamsplitter)方式相比，在光路上的所有透射和反射作用中并不产生表面反射，因而大为改善光效。

另一方面，在前面所述的实施例中，虽然使用了两个显示元件41，但还能够以一个显示元件和由此分离左右两眼用影像的另外的光学模块来具体实现。

如上所述，具有比两眼间距长的长度的第一棱镜42和第二棱镜44是能够同时引导左眼用影像光和右眼用影像光的相同的物质和本体，利用它则使用者的两眼之间就不会存在任何障碍物，因而消除视场角遮挡现象。由此，使用者在观看所透射的外部图像时，由于向左眼和右眼提供的外部图像相同，因而不仅眼睛感觉不到疲倦，而且看不见的盲区被消除，因此，在户外步行中也能够容易识别危险状况。

以下，参照图5进一步详细说明图4中所图示的根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的光路。图5是表示了根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的光路的剖视图。

参照图5，在显示元件41所发散的影像光在透射第一棱镜42之后出射的过程中，大致50％的光束由部分反射滤光器43所沿水平向外部漏泄，剩余的50％的光束经第二棱镜44的第一入射面441而在曲面反射面442以正光焦度来被反射，在被反射而返回的过程中剩余的光量的50％在部分反射滤光器43透射而消失，其余的50％被反射并从第二棱镜44的出射面443出射而成像于使用者的瞳孔。

因此，根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，在假定最初在显示元件41所产生的光量为100时，除了透射或被反射而流失的光量之外纯粹传递至使用者的眼睛的光量为25，从而与使用了光束分离器的现有技术相比，提供2倍以上的亮度，因而能够得到非常鲜明的影像。

另外，根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，由于提供光焦度的曲面反射面442在第二棱镜44的下部与第二棱镜44成为一体而提供，因而与曲面镜配置于使用者的前面的根据现有技术的装置相比，能够减少体积且一个光学模块同时负责两眼，因而自身就能够起窗口作用而无需另外的壳体，因此，能够减少重量和体积。不仅如此，根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，由于装配简便，因而能够减少制造费用和产品单价，且使重心最大限度地向使用者的鼻子方向靠近，从而在使用者佩戴护目镜时，能够稳定地分散所要负担的重量。

图6是表示了根据本发明的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的、两眼之间的视场遮挡现象所消除的状态的佩戴状态图，如图6中所图示，由于使用用于左眼的影像传递路径和用于右眼的影像传递路径连成一个的同一棱镜，因而在两眼之间全然不存在如壳体或截面那样会妨碍视场的障碍要素，且使用者能够在确保了与摘下护目镜而在自然状态下观看图像相同地宽的视场的状态下观览外部图像。

图7是根据本发明的另一实施例的能够确保周边宽视场的透视型显示装置的分解立体图，根据本发明的另一实施例的透视型显示装置由两个显示元件70、一个第一棱镜71、一个部分反射滤光器72、一个第二棱镜73、两个相位转换薄膜74、以及两个曲面镜75构成。

为了进一步提高光效，图7的透视型显示装置以如下方式构成，即、将图4的透视型显示装置所示出的、曲面反射面442形成为一体的第二棱镜44分离成直角棱镜73和曲面镜75，并在直角棱镜73与曲面镜75之间插入相位转换薄膜74。在以下的说明中，对于与图4的透视型显示装置相同的部分省略对其的说明。

参照图7，从两个显示元件70发出的影像光经位于上述两个显示元件70的前表面且具有比两眼间距长的长度的第一棱镜71的入射面711而向棱镜内部垂直地入射之后经倾斜地配置的第一出射面712而从第一棱镜71出射。

所出射的影像光中一定量的影像光在部分反射滤光器72被反射而沿着水平重新入射第一棱镜71之后经第二出射面713而向外部漏泄，未被反射的影像光透射上述部分反射滤光器72而向与上述第一棱镜71相接且具有比两眼间距长的长度的第二棱镜73的入射面731倾斜地入射。

向上述第二棱镜73的入射面731倾斜地入射的影像光经出射面732而出射，在由相位转换薄膜74和曲面镜75所反射的图像返回上述第二棱镜73之后，由部分反射滤光器72所反射而成像于使用者的瞳孔。此时，上述部分反射滤光器72最好使用偏光薄膜。

如上所述，具有比两眼间距长的长度的第一棱镜71和第二棱镜73是能够同时引导左眼用影像光和右眼用影像光的相同的物质和本体，利用它则使用者的两眼之间不存在任何障碍物，因而消除视场角遮挡现象。由此，使用者不会历经视场角遮挡现象，因而使用者在观看所透射的外部图像时，由于向左眼和右眼提供的外部图像相同，因此，不仅感觉不到疲倦，而且看不见的盲区被消除，从而即便在户外步行中也能够容易识别危险状况。

另外，在按照如上所述的构成并以偏光滤光器来替代上述部分反射滤光器72而利用偏光成分来引导光束的情况下，在假定在显示元件70所出射的光束的最初光量为100时，通过了第一棱镜71的光束除了由上述部分反射滤光器72所反射而损失的50％的光量之外，在成像于使用者的瞳孔的过程中并不产生光损失，使得光束的损失能够最小化，因而能够更为有效地管理光束。

就透射上述部分反射滤光器72的光束而言，在经相位转换薄膜74并由反射镜75所反射而返回的过程中，由上述相位转换薄膜74所P波转换为S波且S波转换为P波，因此，在由上述部分反射滤光器72所反射而成像于使用者的瞳孔的过程中不会产生光损失。

另一方面，在前面所述的实施例中，虽然使用了两个显示元件70但还能够以一个显示元件和由此分离左右两眼用影像的另外的光学模块来具体实现。

如前面所述，虽然在本发明的详细说明中关于具体实施例进行了说明，但在不逸出本发明的范围的限度内当然能够进行各种变形。因此，本发明的范围不得局限于所说明的实施例而定，应由所附的权利要求书以及与该权利要求书等同的范围而定。

Claims (6)

1.一种能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，包括：

显示控制板；

显示元件，其按照在上述显示控制板所生成的影像信号而发出影像光；

一个第一棱镜，其位于上述显示元件的下表面且具有比两眼间距长的长度，并具有与上述显示元件平行的入射面、垂直地通过了上述入射面的影像光所倾斜地出射的倾斜的第一出射面、以及垂直于上述入射面的第二出射面；

部分反射滤光器，其使从上述第一棱镜出射的影像光一部分反射且使剩余部分透射；以及，

一个第二棱镜，其位于上述部分反射滤光器的下表面且具有比两眼间距长的长度，且其与上述第一棱镜的第一出射面相同的角度的入射面、使从该入射面入射的影像光以正光焦度来反射而向使用者的瞳孔引导的曲面反射面、以及向上述使用者的瞳孔出射影像光的出射面形成为一体。

2.根据权利要求1所述的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，

上述第一棱镜的第一出射面、上述部分反射滤光器、以及上述第二棱镜的入射面利用粘合剂而以防止产生空气层的方式结合。

3.根据权利要求1所述的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，

上述第一棱镜的第二出射面和上述第二棱镜的出射面彼此平行地配置。

4.一种能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，包括：

显示控制板；

显示元件，其按照在上述显示控制板所生成的影像信号而发出影像光；

一个第一棱镜，其位于上述显示元件的下表面且具有比两眼间距长的长度，并具有与上述显示元件平行的入射面和倾斜的出射面，该出射面使垂直地通过了上述入射面的影像光倾斜地出射；

部分反射滤光器，其使从上述第一棱镜出射的影像光一部分反射且使剩余部分透射；

一个第二棱镜，其位于上述部分反射滤光器的下表面且具有比两眼间距长的长度，且其具有与上述第一棱镜的倾斜的出射面相同的角度的入射面；

曲面镜，其位于上述第二棱镜的下部且使从上述第二棱镜出射的影像光以正光焦度来反射而向使用者的瞳孔引导；以及，

相位转换薄膜，其插入于上述第二棱镜的下表面与上述曲面镜的上表面之间。

5.根据权利要求4所述的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，

上述部分反射滤光器是偏光薄膜。

6.根据权利要求4所述的能够确保周边宽视场的透视型显示装置，其特征在于，

上述第一棱镜的倾斜的出射面、上述部分反射滤光器、以及上述第二棱镜的入射面利用粘合剂而以防止产生空气层的方式结合。