CN111856775B - 显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种显示设备，包括：包括空中成像元件的光学系统，以及具有反射光的镜面的反射组件，其中所述反射组件被布置为反射第一入射光以向所述空中成像元件发射作为第二入射光，所述第一入射光从投影对象发射并被空中成像元件反射，并且其中空中成像元件反射所述第一入射光以便在与投影对象相对于形成空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第一实像；以及反射第二入射光以便在与由反射组件形成的第一实像的虚像相对于平面呈面对称的位置形成第二实像。

Description

显示设备
技术领域
本公开涉及一种包括光学系统的显示设备，该光学系统在空中形成图像。
背景技术
在WO 2008/123473和JP 2011-81309 A中公开的光学系统是在空中形成图像的光学系统的示例。
WO 2008/123473公开了一种光学系统，其中多个成像光学系统被布置在一条线上以便彼此分离，该成像光学系统采用镜面反射使得当实像在对称图像的对侧时被投影对象的图像可以被捕捉，其中成像光学系统中的至少一个包括半反射镜和回射元件，其被设置在从半反射镜透射或反射的光被回射的位置处。
JP 2011-81309公开了包括由平板结构制成的第一和第二反射平面对称成像元件，在平板结构中多个微镜单元布置在一个矩阵中；第一和第二反射平面对称成像元件中的每个通过重叠第一和第二聚合物配置，该聚合物具有多个长构件，每个长构件具有一个光反射表面并且被平行布置，使得它的光反射表面在相同侧，以便以光反射表面相交的方式重叠；以及，第一聚合物的光反射表面构成微镜单元的第一光反射表面并且第二聚合物的光反射表面构成微镜单元的第二光反射表面。
成像光学系统(反射平面对称成像元件)造成由被设置在一个表面侧的投影对象发射的光被镜面反射两次或更多次，以在与投影对象相对的位置形成实像。存在的问题是通过一个或另一个奇数数量成像光学系统形成的三维结构的实像表现出突起和凹陷的反转。
当在空中形成三维图像时，这种突起和凹陷的反转是重要问题。特别地，其中不存在突起和凹陷的反转的图像与其中存在突起和凹陷的反转的图像共存，并且因此，图像被感知为不具有三维效果或为不自然的三维图像。
为了解决这一问题，WO 2008/123473公开了使用偶数数量的成像光学系统的特征，并且JP 2011-81309公开了使用2个反射平面对称成像元件的特征。使用偶数数量的成像光学系统(反射平面对称成像元件)可以在三维结构的实像中解决突起和凹陷的反转的问题。
发明内容
然而，因为成像光学系统(反射平面对称成像元件)贵，因此常规的光学系统具有制造成本高的问题。
本公开的目的是实现可以解决图像中突起和凹陷的反转同时保持制造成本低的光学系统。
本公开的一个方面为一种光学元件包括：包括光学系统的显示设备，该光学系统包括反射入射光以便在空中形成实像的空中成像元件，以及具有反射光的镜面的反射组件。反射组件被布置为反射第一入射光以向空中成像元件发射作为第二入射光，所述第一入射光被从投影对象发射并且由空中成像元件反射。空中成像元件被配置为：反射第一入射光以便在与投影对象相对于形成空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第一实像；以及反射第二入射光以便在与由反射组件形成的第一实像的虚像对于形成空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第二实像。
应该理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述均为示例性及说明性的并且均非对本公开的限制。
根据本公开，能够实现可以解决图像中突起和凹陷的倒转同时保持制造成本低的光学系统。
附图说明
图1示出了根据实施例1的显示设备的主要构造的示例；
图2示出了根据实施例1的空中成像元件的结构的示例；
图3和4示出了根据实施例1的空中成像元件的成像形态的示例；
图5示出了根据实施例1的光学系统的成像形态的示例；
图6示出了根据实施例1的光学系统的光学模型的示例；
图7示出了根据实施例3的光学系统的结构的示例；
图8A、8B、9A和9B示出了根据实施例4调节光学系统的情况的示例；
图10示出了根据实施例5的光学系统的部件的位置与尺寸之间的关系；
图11A和11B示出了根据实施例5由光学系统显示的图像的示例；以及图12示出了常规的光学系统的部件的布置的示例。
具体实施方式
以下，本发明的实施例将参照附图进行解释。在每一附图中，为共同的部件给定相同的附图标记。
(实施例1)
图1示出了根据实施例1的显示设备1的主要构造的示例。图2示出了根据实施例1的空中成像元件100的结构的示例。图3和4示出了根据实施例1的空中成像元件100的成像形态的示例。图5示出了根据实施例1的光学系统10的成像形态的示例。
显示设备1由光学系统10和图像处理设备20构成。
图像处理设备20接收三维投影对象的图像数据30的输入，并且输出图像数据30至显示器120。图像数据30包括右眼图像和左眼图像。图像处理设备20的示例包括具有处理器、存储器和外部接口的通用计算机，诸如微机计算机的微型计算机，或由逻辑电路和存储器构成的硬件。
平面投影图像的图像数据30可以被输入至图像处理设备20。
光学系统10由空中成像元件100、平面镜110和显示器120构成。
实施例1的显示器120显示三维图像。用于三维图像的显示方法的示例包括两面凸透镜方法、视差格栅方法等。本公开并不限于用于三维图像的显示方法。
空中成像元件100是由以给定模式布置在基本平坦的基底200中的多个角反射器210构成的元件。
在以下描述中，以给定模式布置多个角反射器210有时被称为角反射器阵列。角反射器阵列中包括的角反射器210被形成为面向相对于基底200的相同方向。
每个角反射器210在通过切开基底200形成的矩形立方形孔的内壁上具有镜元件211和212。例如，镜元件211和212通过在内壁上执行平滑/镜面处理而形成。在图2中，为了便于说明，形成角反射器210的镜元件211和212的内壁被重点描绘。形成镜元件211和212的平面之间的角基本上是直角。
在孔的四个内壁之间，优选的是，未形成镜元件211和212的内壁抑制多重反射光。例如，这种内壁被控制为使得平滑/镜面处理不被执行于其上，或者内壁之间形成的角被控制。
角反射器210使用镜元件211和212二者以在特定方向反射入射光。图3示出了进入空中成像元件100的光在ZX平面的光学路径。此外，图4示出了进入空中成像元件100的光在YZ平面的光学路径。图3将进入空中成像元件100的光的光学路径表示为实线，并且将从空中成像元件100发射的光的光学路径表示为虚线。
在随机地从投影对象O发射的光的一部分进入角反射器210的情况下，光进入一个镜元件211，被镜元件211反射，并且进入另一个镜元件212。此外，光被其他镜元件212反射并且在与入射方向相反的方向发射。在光进入镜元件212的情况下，被镜元件212反射的光进入镜元件211，被镜元件211反射，并且在与入射方向相反的方向发射。
图3是为了简化说明的示意图。然而，实际的角反射器210非常小，并且因此，进入的光和发射的光大部份重叠。因此，如图4中所示，其中上述光的光学路径可以在YZ平面上被看到，如果投影对象O被布置在空中成像元件100的一个表面侧上，从投影对象O发射的光的一部分在空中成像元件100内被反射两次。在来自投影对象O的光中，光穿过位置P被反射两次，其中位置P在与投影对象O相对于形成空中成像元件100的平面呈面对称。因此，投影对象O的图像在与投影对象O相对于形成空中成像元件100的平面呈面对称的位置处被形成为实像P。
如图3和4所示，从角反射器210发射的光的X分量和Z分量的方向与入射光的X分量和Z分量的方向相反。此外，实像P是投影对象O的突起和凹陷被倒转的图像。
平面镜110是基本平坦的镜。在光学系统10中，平面镜110用作通过反射入射光形成虚像的反射组件。
这里，描述了光学系统10(空中成像元件100、平面镜110和显示器120)的部件的布置。
显示器120布置成使得显示器120的显示面相对于形成空中成像元件100的平面(YZ平面)倾斜。在本公开中，形成空中成像元件100的平面(YZ平面)被表示为0度。在显示器120的显示面的倾斜角度是0度的情况下，那么即使从显示器120发射的光束进入空中成像元件100，光束大部分未被在空中成像元件100的平面上形成的基本垂直的镜元件211和212反射。在显示器120的显示面的倾斜角度是90度的情况下，那么从显示器发射的光束大部分未进入空中成像元件100。如果光束大部分未被空中成像元件100反射或未进入空中成像元件100，显示器120中显示的图像不在与相对于空中成像元件100呈面对称的位置中形成。因此，显示器120的显示面的倾斜角度应该在大于0度且小于90度的范围内。在图1中，显示器120被布置在对于形成空中成像元件100的平面的45度处。
平面镜110被布置为平行于形成空中成像元件100的平面。只要从空中成像元件100发射的光可以被反射以便能够再次进入空中成像元件100，那么平面镜110可以被布置为相对于形成空中成像元件100的平面倾斜。
下面，由光学系统10显示的图像将参照图5进行描述。
在显示器120中显示的表示投影对象P0的光进入空中成像元件100。由于角反射器阵列的影响，进入空中成像元件100的光在与投影对象P0相对于形成空中成像元件100的平面呈面对称的位置处形成实像P1(第一实像)。
形成实像P1的光由平面镜110反射，并且被反射的光再次进入空中成像元件100。这相当于虚像V1的光进入空中成像元件100。
由于角反射器阵列的影响，从平面镜110发射的光在与虚像V1相对于形成空中成像元件100的平面呈面对称的位置处形成实像P2(第二实像)。
这样，从投影对象P0发射的光两次进入空中成像元件100，并且因此，实像P2的突起和凹陷与投影对象P0的突起和凹陷相匹配。
图6示出了根据实施例1的光学系统10的光学模型的示例。
显示器120由两面凸透镜600、多个右眼像素611和多个左眼像素612构成。
两面凸透镜600是半圆柱形凹透镜薄片状布置的透镜。例如，凹透镜是圆柱形透镜。右眼像素611、左眼像素612和凹透镜被布置为使得每个凹透镜与一对包括右眼像素611和左眼像素612的像素相关联。可以设置遮光单元，其在每个右眼像素611和左眼像素612之间，阻止混合在图像中的彩色以及使得用于显示图像的信号能够传输。
如图1中所示，显示器120以45度倾斜于Y轴，但是为了便于说明示出了聚焦于显示器120的X轴方向中的像素阵列的光学模型。
从右眼像素611和左眼像素612发射的光进入两面凸透镜600。在图6中，从右眼像素611发射的光的光学路径用实线描绘，并且光学路径被标记为“R”。从左眼像素612发射的光的光学路径用点划线描绘，并且光学路径被标记为“L”。
被两面凸透镜600折射的光进入空中成像元件100，通过角反射器阵列的作用反射，并且在与入射方向相反的方向发射。从空中成像元件100发射的光在与投影对象P0相对于形成空中成像元件100的平面呈面对称的位置处形成实像P1。光被平面镜110的镜面反射，然后再次进入空中成像元件100。
进入空中成像元件100的光通过角反射器阵列的作用反射，并且在与入射方向相反的方向发射。从空中成像元件100发射的光在与虚像V1相对于形成空中成像元件100的平面呈面对称的位置处形成实像P2。
如图6中所示，从多个右眼像素611发射的光形成了区域ER 651，其中右眼图像是可见的，并且从多个左眼像素612发射的光形成了区域EL 652，其中左眼图像是可见的。
通过观看者通过将其右眼置于区域ER 651并将其左眼置于区域EL 652来观察实像P2，观察者可以看到在空中形成的三维图像。
根据实施例1，光学系统10可以使用一个空中成像元件100来形成实像P2，其中突起和凹陷与投影对象P0的突起和凹陷匹配。因此，能够保持制造成本低。
(实施例2)
在实施例2中，描述了光学系统10，其中实像P2可以被看作是在期望取向处的图像。
在显示器120中显示能够用裸眼观察到的并且是在期望取向上的图像的情况下，实像P2被看作是由于被空中成像元件100反射因而与投影对象P0相比时上下反转的图像，并且由于被平面镜110反射因而与投影对象P0相比时左右倒转。换言之，实像P2被看作是通过180度旋转并且水平反转显示器120所显示的投影对象P0形成的图像。该水平反转的图像代表关于纵轴反转的图像。
在实施例2中，控制显示器120的布置和用于输出图像数据30的图像处理，使得实像P2可以被看作是在期望取向处的图像。
特别地，显示器120被布置成使得显示器120的上方面向空中成像元件100。此外，图像处理设备20执行图像处理以用于生成表示通过水平反转期望取向中的图像获得的图像的图像数据30，并且输出图像数据30至显示器120。
仅通过不改变显示器120取向的图像处理可以执行类似类型的显示。在这种情况下，图像处理设备20执行图像处理以用于生成表示通过180度旋转实像P2以及通过水平反转获得的图像的图像数据30。
根据实施例2，能够实现可以在相对于观看者的期望取向处显示实像P2的光学系统10。
(实施例3)
在实施例3中，描述了形成实像P2的光学系统10，该实像P2可以被看作是在期望取向处的没有控制用于输出图像数据30的图像处理的图像。
图7示出了根据实施例3的光学系统10的结构的示例。
实施例3的光学系统10，作为新的构造，包括平面镜700。平面镜700被布置成使得投影对象P0的被反射的光进入空中成像元件100。特别地，平面镜700被布置为相对形成空中成像元件100的平面具有45度的倾斜。
此外，在实施例3中，显示器120被布置成使得显示器120的上方面向空中成像元件100。相对于投影对象P0上下颠倒的发射到平面镜700。
在实施例3的光学系统10中，镜面反射发生两次，并且因此，不需要用于水平反转的成像处理。
根据实施例3，能够实现无需执行成像处理便可以在相对于观看者的期望取向处显示实像P2的光学系统10。实施例3的光学系统10还可以被应用于投射三维对象的实像P2的设备。特别地，该三维对象将替代显示器120。
在该三维对象不发射光的情况下，那么照射该三维对象的照明设备可以视情况被安装在光学系统10内。
(实施例4)
在实施例4中，描述了用于形成清楚可见的实像P2的显示设备1的构造。
图8A、8B、9A和9B根据实施例4示出了调节光学系统10的情况的示例。
图8A和8B示出了容纳于具有开口810的壳体800中的光学系统10。图像处理设备20也可以被容纳于壳体800中。
空中成像元件100、平面镜110和显示器120容纳于壳体800内部。从开口810发射的光在空中形成实像P2。
图9A和9B示出了容纳于具有被盖子覆盖的开口910的壳体900中的光学系统10。图像处理设备20也可以被容纳于壳体900中。
壳体900由具有开口910的壳体部分911和形成覆盖开口910的盖子的壳体部分912构成。此外，显示器120被布置在实像P2上方，或者换言之，在壳体部分912的上边缘处。观看者观看从壳体部分912的开口910发射的光(实像P2)。
通过如图8A和9A所示的将光学系统10容纳于壳体中，可以对观看者隐藏空中成像元件100的表面反射掉的光、由于杂散光形成的虚像、出现在平面镜110中的虚像等。换言之，可以将光和图像对实像P2的可见性的影响最小化。
因此，可以提高实像P2的对比度，使观看者能够专心观看实像P2。换言之，可以提高实像P2的可见性。
(实施例5)
在实施例5中，为了使观看者清楚地看到实像P2而调整光学系统10的部件之间的位置关系。
图10示出了根据实施例5的光学系统10的部件的位置与尺寸之间的关系。图11A和11B示出了由根据实施例5的光学系统10显示的图像的示例。
在空中成像元件100与显示器120之间的距离以及空中成像元件100与平面镜110之间的距离未做适当调整的情况下，那么如图11A中所示，观看者可以看到具有投影对象P0与虚像V2和V3重叠的实像P2。矩形1101是示意性地示出了当观看光学系统10时的用户视觉的区域。
在实施例5中，如图11B中所示，描述了光学系统10的部件之间的位置关系以为了显示实像P2使得实像P2不重叠投影对象P0与虚像V2和V3。
这里，显示器120在YZ平面的尺寸(高度)是H，从显示器120的中心发射的光行进直到达到空中成像元件100的距离是D1，并且被平面镜110反射的光行进直到其达到空中成像元件100的距离是D2。此外，空中成像元件100和平面镜110之间在Z轴方向的距离是a，并且空中成像元件100和显示器120之间在Z轴方向的距离是b。
执行了关于虚像的重叠的针对以下场景的实验，在该场景后中观看者从相对于形成空中成像元件100的平面的45度角看到实像P2。实像P2和观看者的眼睛之间的距离被设置为500mm到750mm的范围。
该实验表明，通过调整光学系统10的部件的布置，使得D2为D1的4倍或更多，可以显示不重叠投影对象P0与虚像V2和V3的实像P2。此外，发现优选的是D1是H的2倍或更多。因此，发现通过调整H、D1和D2，可以显示不重叠投影对象P0与虚像V2和V3的实像P2。
根据实像P2和观看者的眼睛之间的距离、当观看实像P2时的观看角度等确定H、D1和D2的具体和最佳值。
图12示出了常规的光学系统1200的构造和布置的示例。为了与本公开的光学系统10进行比较，示出了WO 2008/123473中所公开的光学系统1200的部件的布置的示例。
这里，空中成像元件1201和1202之间在Z轴方向的距离是a’，并且空中成像元件1201和显示器1220之间在Z轴方向的距离是b’。
如果b’被设为等于b，发现为了如图11B中所示地显示实像P2，a’将需要大约为a的双倍。
因此，本公开的光学系统10可以比传统光学系统缩小到更大的程度。因此，还可以缩小容纳光学系统10的壳体。
如以上阐述的，描述了本发明的实施例；然而，本发明并不限于前述实施例。本领域技术人员可以在本发明的范围内容易地修改、增加或改变前述实施例中的每个元件。一个实施例的构造的一部分可以用另一个实施例的构造替换，或者可以将一个实施例的构造合并到另一个实施例的构造中。

Claims (7)

1.一种显示设备，包括：
光学系统，包括反射入射光以便在空中形成实像的空中成像元件，以及具有对光进行反射的镜面的反射组件，
其中所述反射组件被布置为反射第一入射光以向所述空中成像元件发射以作为第二入射光，所述第一入射光被从投影对象发射并且由所述空中成像元件反射，以及
其中所述空中成像元件被配置为：
反射所述第一入射光以便在与所述投影对象相对于形成所述空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第一实像；以及
反射所述第二入射光以便在与由所述反射组件形成的所述第一实像的虚像相对于形成所述空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第二实像，
其中所述空中成像元件是由以给定模式布置在基本平坦的基底中的多个角反射器构成的元件，并且每个角反射器在通过切开基底形成的矩形立方形孔的内壁上具有镜元件，并且形成镜元件的平面之间的角基本上是直角。
2.根据权利要求1所述的显示设备，
其中所述光学系统包括图像显示设备，其显示所述投影对象的图像，
其中所述图像显示设备的显示面被布置为相对于形成所述空中成像元件的平面形成给定倾斜角度，以及
所述图像显示设备中所显示的所述投影对象的图像是通过将所述第二实像旋转180度形成的图像。
3.根据权利要求2所述的显示设备，还包括：
图像处理设备，其向所述图像显示设备输出用于表示所述投影对象的图像的图像数据，
其中所述图像处理设备被配置为：
通过执行用于消除产生自所述反射组件的所述第一实像中的反转的图像处理来生成图像数据；以及
向所述图像显示设备输出所述图像数据。
4.根据权利要求3所述的显示设备，
其中调整所述空中成像元件与所述反射组件之间的距离以及所述空中成像元件与所述图像显示设备之间的距离以使得所述光学系统中形成的虚像不与所述第二实像重叠。
5.根据权利要求4所述的显示设备，
其中所述图像显示设备是显示三维图像的显示器。
6.一种显示设备，包括：
光学系统，包括反射入射光以便在空中形成实像的空中成像元件，以及具有对光进行反射的镜面的第一反射组件和第二反射组件，
其中所述第一反射组件被布置为反射来自投影对象的第一入射光以向所述空中成像元件发射作为第二入射光，
其中所述第二反射组件被布置为反射被所述空中成像元件反射的所述第二入射光以向所述空中成像元件发射作为第三入射光，以及
其中所述空中成像元件被配置为：
反射所述第二入射光以便在与由所述第一反射组件形成的所述投影对象的虚像相对于形成所述空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第一实像；
反射所述第三入射光以便在与由所述第二反射组件形成的所述第一实像的虚像相对于形成所述空中成像元件的平面呈面对称的位置形成第二实像，
其中所述空中成像元件是由以给定模式布置在基本平坦的基底中的多个角反射器构成的元件，并且每个角反射器在通过切开基底形成的矩形立方形孔的内壁上具有镜元件，并且形成镜元件的平面之间的角基本上是直角。
7.根据权利要求6所述的显示设备，
其中当通过将所述第二实像旋转180度形成图像时，所述投影对象被投影于所述第一反射组件上。
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