CN1316286C - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种显示系统(1，31)，用于定位限定一个眼路(4，34)的至少一只眼睛(3，33)，所述显示装置包括用于产生人造图像的图像产生装置(5，37)，用于以电子方式控制所述图像产生装置的控制系统，以及用于放大所述人造图像成为所述至少一只眼睛的虚像的放大光学系统(7，35)，其中所述图像产生装置是透明的，并且位于眼路中，用于使来自位于眼路中的显示装置的环境的外部光通过而到达眼睛。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及一种用于定位限定一个眼路(eye path)的至少一只眼睛的显示装置，所述装置包括用于产生人造图像的图像产生装置，用于以电子方式控制所述图像产生装置的控制系统，以及用于放大所述人造图像，使得其对于所述至少一只眼睛成为虚像的放大光学系统。
背景技术
这种显示装置，其通常呈眼镜和头盔的形式，由日本专利申请JP10104549公知了。这种装置包括图像产生装置，其被设置在眼路的外部，并由控制系统控制，使得可以产生所需的虚像。来自图像产生装置的图像通过一个在眼路中倾斜设置的半透射的反射元件以及设置在眼路外部的透镜对于眼睛是可见的。由于反射元件的半透射性，来自显示装置的环境的图像作为背景也是可见的，其中在反射元件的后面具有偏光器和液晶层的组合。这提供了这样影响背景图像的强度的可能性，使得可以获得在虚像和实像的强度之间的满意的比。
在所述的日本专利申请中披露的显示装置的结构的缺点在于，其具有有限的可获得的图像尺寸。这是因为通过使用倾斜设置的半透射反射元件和设置在眼路外部的透镜的组合，限制了和图像尺寸相关的孔径角，所述透镜也是最大孔径角的边界。此外，应当注意，在所述日本专利申请中所述的显示装置沿高度方向还需要相当大的空间，这是因为具有图像产生装置和在眼路外部的放大光学系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开头一节所述的显示装置，其中，不论是否在本发明的优选实施例中，上述的现有技术的缺点被大大克服了。为此，本发明的特征在于，所述图像产生装置是透明的，并且位于眼路中，以便使来自位于眼路中的显示装置的环境的外部光通过而到达眼睛。使用这种图像产生装置使得能够把放大光学系统与/或图像产生装置本身相当靠近地设置在眼睛的前方，从而使眼睛可以获得大的孔径角，即大的图像尺寸。这可以利用相当小的图像产生装置来实现，因而降低显示装置的成本。由于图像产生装置的透明的特征，使得眼睛能够组合虚像和环境的图像。
根据本发明，提供了一种用于定位限定一个眼路在一眼睛的前方的显示装置，所述装置包括：一个透射的阵列元件，位于眼路中，用于使来自位于眼路中的显示装置的环境的外部光通过而到达眼睛；一个控制系统，用于以电子方式驱动所述透射的阵列元件；一个放大光学系统，位于眼路中面向眼睛的透射的阵列元件的一侧，用于放大所述人造图像，使得其对所述眼睛成为虚像；一个半透射的反射元件，被倾斜地布置在图像产生装置的远离所述眼睛的一侧上的眼路中，用于将来自眼路外部的光源的光反射至所述透射的阵列元件，并使所述外部光通过而达眼睛，其特征在于，所述控制系统安置成以电子方式驱动所述透射的阵列元件从而形成一图像产生装置以产生人造图像，并且调节所述透射的阵列元件的电参数以控制透过所述阵列形成经调制光束的光透射度的比例程度，从而将人造图像光线的强度调节到更大或更小的程度。
为了对图像产生装置引入光，以便增强虚像的照明，按照本发明的显示装置的优选实施例的特征在于，其具有被倾斜地设置在图像产生装置的远离至少一只眼睛的一侧上的眼路中的半透射的反射元件，所述元件朝向图像产生装置反射来自眼路外面的光源的光，并使所述外部光通过而到达眼睛。通常，位于眼路外部的光源例如可由自然日光形成。因为反射元件部分地透光，所以使眼睛能够组合虚像和环境图像。
为了获得尽可能恒定的图像质量，按照本发明的显示装置最好设置有布置在眼路外部的人造光源，用于通过半透射反射元件照射图像产生装置。虽然在本发明的范围内能够利用呈漫射或者不呈漫射的环境光使虚像可视化，但是使用人造光源能够提供所述优点。
半透射反射元件最好由半透射的偏振反射镜构成。这具有这样的优点，即还使得外部光将呈现给定的偏振状态，从而使得偏振的外部光被透射的液晶阵列调制。这意味着，通过透射的液晶阵列的合适的控制，可以联合调节透射的液晶阵列的虚像和外部光的实像的强度的共同控制。
如果图像产生装置包括透射的液晶阵列，则可以获得按照本发明的显示装置的一个非常实际的实施例。这种实施例利用在作出本发明时可得到的透明的图像产生装置。通过在眼路中利用透射的液晶阵列，可以获得具有最佳的放大倍数和改善的图像尺寸的相当紧凑的显示装置，这是因为，透射的液晶阵列的尺寸和放大光学系统的尺寸被相当地限制，这也使得按照本发明的的显示装置的成本降低。
为了以简单的方式使虚像可视化，最好使用设置在至少一只眼睛和图像产生装置之间的偏光器，尤其是在透射的液晶阵列中，所述偏光器被提供在按照本发明的显示装置的优选实施例中。
在原理上，按照本发明的显示装置提供了组合人造图像和显示装置的环境的实像的可能性，这是因为使用了半透射反射光学元件。优选地，按照本发明的显示装置的特征在于，其设置有用于外部光的在图像产生装置的远离至少一只眼睛的一侧上的可调节的光闸元件，从而使得能够消除外部光，例如使得只有由透射的液晶阵列产生的虚像是可见的。
如果这个元件由可以在眼路内部的位置和外部的位置之间移动的光闸构成，则可以获得这种可调节的光闸元件的非常有利而简单的实施例。这种光闸可以通过手动地操作在显示装置的壳体外部上的一个合适的操作装置被移动。
或者，所述光闸可以由具有在远离半透射的反射元件的液晶的一侧上的偏光器的液晶构成。这个优选实施例的优点在于，通过合适地控制所述液晶，可以无级地调节偏振光的数量，所述的光被通过从而到达半透射的反射元件。用这种方式，可以调节在虚像和实像之间的所需的比例。
如果在面向至少一只眼睛的图像产生装置的一侧上的眼路中具有放大光学系统，则可以获得按照本发明的显示装置的一种非常紧凑的
实施例。
按照一种非常有利的优选实施例，按照本发明的显示装置设置有用于外部光的单独的光学系统。例如，利用这种单独的光学系统，可以增加来自外部光源的光。例如在外科手术应用中，这是有利的，其中能够获得手术区域的放大的图像。
也可以采用单独的光学系统，用于有利地至少部分地补偿放大光学系统对外部光的放大作用。借以成比例地阻止显示的环境图像过大，或者偏离实际。通常，当环境的图像相应于所述环境的实际尺寸时，这被认为是重要的。
附图说明
本发明的这些和其它方面将参照后面所述的实施例进行说明。
在附图中：
图1示意地表示第一优选实施例。
图2示意地表示第二优选实施例。
具体实施方式
图1示意地表示构成按照本发明的显示装置的第一优选实施例的基本元件。在显示装置1中的中央元件是半透射的反射镜2。所述半透射的反射镜2反射入射光的一半，并无阻碍地通过入射光的另一半。半透射反射镜2的性能对眼睛3提供了组合虚像和实像的可能性。假想的眼路4垂直于眼睛3延伸。在眼路4的内外具有将在后面说明的多个元件。上面已经说明了半透射反射镜2。从反射镜2看来，在反射镜2和眼睛3之间，设置有透射的液晶阵列5，垂直偏振的滤光器6，以及放大透镜7。透射的液晶阵列是本领域技术人员熟知的，其由液晶元件的阵列构成，所述液晶元件可以分别以电子方式由控制系统(未示出)控制，利用这些元件可以产生图像。根据对于给定阵列元件的控制信号，入射到相关阵列元件上的光的偏振状态发生改变。垂直偏振滤光器6使线性偏振光或多或少地通过，这在后面还要说明。
在使用液晶显示器(LCD)时，由标号5表示的透射的液晶阵列被设置在两个偏振滤光器之间，所述两个偏振滤光器一般可以通过操作彼此相对偏转90度。显示装置1也具有这样一种结构，其中由垂直偏振滤光器6构成后偏振滤光器，同时由水平偏振滤光器8构成前偏振滤光器。由光源9入射的光呈偏振的水平状态11，所述光源9和水平偏振滤光器8一样位于眼路4的外部，并且例如可以由LED构成。这个水平偏振光11是由半透射反射镜2朝向垂直于透射的液晶阵列5并平行于眼路4的方向反射了一半。这个反射的部分由标号12表示。另一半则无阻碍地在其原始路径上通过，并且不再被利用。由于来自透射的液晶阵列5的反射的水平偏振光12的照射，基本上能够使由透射的液晶阵列5产生的图像可视化。根据相关的阵列元件的控制电压，每个阵列元件将改变或不改变反射的水平偏振光12的偏振状态。这产生一个调制的光束14，根据偏振状态改变的程度，光束14将按照一个给定的比例程度通过垂直偏振滤光器6。这个图像光15是可以由眼睛3看到的。提供放大透镜7用于增加由光15呈现的图像的尺寸。
如图1示意地所示，显示装置1提供了在眼路4中组合由透射的液晶阵列5产生的虚像和实像16的可能性。显示装置1包括在其面向实像16的一侧上的光闸17，所述光闸例如借助于扫视或位移可以在眼路4的内外移动。在图1所示的情况下，光闸17位于眼路4内。如果不是这种情况，则来自实像16的光18则通过用于补偿放大透镜7的放大效果的缩小透镜19。由于透镜7和19的组合效果，眼睛3将看到实际大小的实像16。光18在其朝向眼睛3的路径上遇到半透射反射镜2。光18的一半20以大约90度角被反射，而另一半21则无阻碍地继续沿其路径行进。光21具有和光18相同的性能，这是因为光21只是光18的强度的一半。因为没有给定的光束21的偏振状态，通过透射的液晶阵列5的光21对从透射的液晶阵列5射出的光束22没有任何净的影响。射出的光束22由垂直偏振滤光器6垂直地偏振，使得产生始发于来自实像16的光的图像光23。图像光23可以被眼睛3看到。
有限数量的可能性可用于控制虚像和实像之间的比例。通过操作光闸17，实像16可以被完全挡住不被眼睛3看到。通过倾斜或放大光源9对光10的强度产生的影响对虚像的强度具有相应的影响。此外，还能够利用一般的控制信号控制透射的液晶阵列5的阵列元件，所述控制信号的使用例如和产生虚像无关。
按照图2所示的第二优选实施例的显示装置31在各个方面相应于图1的显示装置1。这些明显一致的部分是光源32，具有眼路34的眼睛33，放大透镜35，垂直偏振滤光器36，透射的液晶阵列37，缩小透镜38，以及实像39。
和显示装置1相比，半透射反射镜2被偏振束分光器40代替了。偏振束分光器40具有这样的性能，其把入射光例如来自光源32的光41反射而成为水平偏振状态(标号42)，而不沿垂直偏振状态(标号43)反射。由于这个受限制的特性，至少关于当前可利用的偏振束分光器的反射特性，在第二显示装置31中，一个水平偏振滤光器44被设置在偏振束分光器40和光源32之间。所述水平偏振滤光器44使得来自光源32的光在被偏振束分光器40反射之前呈水平偏振状态。由于没有具有垂直偏振状态的光的部分，所以没有不被偏振束分光器40反射的光束43，因而光41和光42的性能和强度彼此相同。当从偏振束分光器40看时，对于从光源32入射的光的情况和图1的显示装置1中的情况相同。被反射的、水平偏振光42连续地通过透射的液晶阵列37和垂直偏振滤光器36以及放大透镜35，以便使代表在透射的液晶阵列37中产生的图像的图像光45可视化，其中透射的液晶阵列37根据要被产生的虚像，对光42具有调制作用。
和显示装置1相比，半透射反射镜2和光闸17在图2的显示装置31中被液晶46和水平偏振滤光器47的组合代替了。光48被水平偏振滤光器47偏振而成为水平偏振光49。根据对液晶46的控制，水平偏振光改变其偏振状态。被水平偏振的或者未被水平偏振的光50随后被反射而成为垂直偏振状态(标号51)，并部分地在水平偏振状态下被偏振束分光器40以一个比例通过，所述比例取决于在液晶46中发生的偏振改变的程度。来自实像39的光52具有和来自光源32的反射光42相同的偏振状态。光52的强度显著地依赖于在液晶46内发生的偏振改变的程度，通过调节液晶46，可以获得在光42和光52的强度之间的一个合适的比例。和光42类似，在虚像的情况下，光52被透射的液晶阵列37调制成调制光53，这种调制和光42被调制成调制光54的情况相反。根据偏振改变的程度，所述调制光53将通过垂直偏振滤光器36，在通过放大透镜35之后，成为眼睛33可以看到的。
在图2的显示装置31和图1的显示装置1之间的主要区别是，在首先提及的显示装置中，来自光源32的光和来自实像39的光被透射的液晶阵列37调制，而在显示装置1中，实像16的光的强度不能被无级地调整。
本发明不限于上述的实施例，而是由权利要求限定，因此，应当注意，透镜7，19，35和47可以由任何合适的其它光学系统代替，这些光学系统例如由反射镜、全息图或透镜系统构成。

Claims (10)

1.一种用于定位限定一个眼路在一眼睛的前方的显示装置，所述装置包括：
一个透射的阵列元件，位于眼路中，用于使来自位于眼路中的显示装置的环境的外部光通过而到达眼睛；
一个控制系统，用于以电子方式驱动所述透射的阵列元件；
一个放大光学系统，位于眼路中面向眼睛的透射的阵列元件的一侧，用于放大所述人造图像，使得其对所述眼睛成为虚像；
一个半透射的反射元件，被倾斜地布置在图像产生装置的远离所述眼睛的一侧上的眼路中，用于将来自眼路外部的光源的光反射至所述透射的阵列元件，并使所述外部光通过而达眼睛，
其特征在于，所述控制系统安置成以电子方式驱动所述透射的阵列元件从而形成一图像产生装置以产生人造图像，并且调节所述透射的阵列元件的电参数以控制透过所述阵列形成经调制光束的光透射度的比例程度，从而将人造图像光线的强度调节到更大或更小的程度。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置设置有布置在眼路的外部的人造光源，用于通过所述半透射的反射元件照射所述图像产生装置。
3.如权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，所述半透射的反射元件由半透射的偏振反射镜构成。
4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述图像产生装置包括透射的液晶阵列。
5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置设置有被布置在所述一只眼睛和所述图像产生装置之间的偏光器。
6.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置设置有可调节的光闸元件，用于图像产生装置的远离所述一只眼睛的一侧上的外部光。
7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述可调节的光闸元件由可以在所述眼路的内部的位置和外部的位置之间移动的光闸构成。
8.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述可调节的光闸由液晶构成，在所述液晶的远离图像产生装置的一侧上具有偏光器。
9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置设置有用于外部光的单独的光学系统。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述单独的光学系统适用于至少部分地补偿放大光学系统对外部光的放大作用。
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