專利名稱：顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器。
背景技術(shù)：
已經(jīng)發(fā)展了一種再現(xiàn)用于人類視覺感覺的可視實體的高質(zhì)量顯示設(shè)備。深度感覺 作為可視實體的一方面極其重要并且用于感知深度感覺的技術(shù)發(fā)展是一個重要問題。常規(guī)地，認(rèn)為對于人類視覺感覺的深度感覺主要受雙目視差的影響。也就是說，據(jù) 信兩眼之間的不同圖像由在人類注視對象視圖時的聚焦生成，并且雙目視差允許深度感覺 的感知。所提議的基于該雙目視差的效果的方法例如為使用紅和藍(lán)濾波器的立體照相 方法，使用偏振的濾波玻璃的方法，使用液晶快門的方法，經(jīng)由微透鏡板可視地識別對于 右眼和左眼的界面圖像的方法和經(jīng)由安裝在識別者頭部的頭部安裝的顯示器HMDOfead Mounted Display)呈現(xiàn)獨(dú)立投影圖像到右眼和左眼的方法?；谶@些雙目視差效應(yīng)的各種 方法受困于需要大量工作來進(jìn)行圖像處理以產(chǎn)生用于右和左眼的多個投影圖像和顯示設(shè) 備復(fù)雜化。另一方面，可以將投影圖像呈現(xiàn)給在HMD中的一只眼睛(單一眼睛)，然而，感知受 限于由極其接近該眼睛放置的顯示單元呈現(xiàn)的小投影圖像并且不能呈現(xiàn)具有深度感覺的 高度真實感覺。此外，存在這樣的平視顯示器HUD (Head-Up Display)，其允許在擋風(fēng)玻璃上觀看 諸如車輛速度等的投影的駕駛信息并且同時允許外部信息和車輛信息的可視識別。為了車 輛的安全駕駛，強(qiáng)烈期望將深度感覺添加到HUD的技術(shù)。應(yīng)該注意的是，已公開了(專利引 文1)在HUD中將顯示圖像僅呈現(xiàn)給一只眼睛的技術(shù)，然而，該由于技術(shù)致力于防止在利用 雙眼的可視識別中的重影，所以其對于增強(qiáng)深度的感知沒有效果。此外，在專利引文2中公開了一種涉及人類的驗證以便指定識別者頭部的位置的 技術(shù)。專利引文1 專利7-228172專利引文2 專利327991
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器，其允許容易地實現(xiàn) 可感知增強(qiáng)深度感覺的投影圖像并且顯示高真實感覺，而不需要復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)造和圖像處 理，并支持車輛等的安全駕駛。技術(shù)解決方案 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種顯示設(shè)備，其生成包含圖像信息的光通量并且通 過控制該光通量的發(fā)散角使得該光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種顯示設(shè)備，其包括光通量生成單元，其配置用 于生成包含圖像信息的光通量；視場控制單元，其配置用于使得所述光通量入射至圖像觀 察者的一只眼睛；以及圖像形成單元，其配置用于基于所述光通量形成圖像，所述圖像信息 單元包括構(gòu)成光學(xué)元件的最接近于所述一只眼睛的光學(xué)元件，該最接近于所述一只眼睛的 光學(xué)元件與所述一只眼睛相距21. 7cm或21. 7cm以上放置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種顯示方法，其生成包含圖像信息的光通量并且 通過控制所述光通量的發(fā)散角使得所述光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種顯示方法，其生成包含圖像信息的光通量，并 且通過將最接近于圖像觀察者的一只眼睛的光學(xué)元件與所述一只眼睛相距21. 7cm或者 21. 7cm以上放置使得所述光通量入射至所述一只眼睛根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種平視顯示器，包括光通量投影單元，其配置 用于輸出包含圖像信息的光通量，該圖像信息配置用于被入射至駕駛員的一只眼睛；發(fā)散 角控制機(jī)構(gòu)，其配置用于控制所述光通量的發(fā)散角；以及帶有反射層的透明板，所述光通量 以由所述發(fā)散角控制機(jī)構(gòu)控制的發(fā)散角投影在所述反射層上。


圖1A-1C是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖2是圖示說明關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的特征的實驗結(jié)果的 圖表；圖3A和3B是圖示說明用于評估根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的特征的實 驗光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖4是圖示說明關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的特征評估的實驗結(jié) 果的圖表；圖5是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意性橫截面?zhèn)?視圖；圖6A-6H是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的光通量的形狀的示 意圖；圖7A-7E是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的發(fā)散角控制單元的 示意圖；圖8A-8D是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的發(fā)散角控制單元的 示意圖；圖9A-9T是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的圖像形成單元的示 意圖；圖10是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖11是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖12是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖13是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖14是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖15是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖16是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖17是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖18是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖19是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十二實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖20是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十三實施例的顯示方法的流程圖；圖21是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十四實施例的顯示方法的流程圖；圖22是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十五實施例的顯示方法的流程圖；圖23是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第十六實施例的顯示方法的示意圖；圖24是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器的應(yīng)用的示意圖。參考說明10、20、23、24、25、26、27、28、29、30、31、40 顯示設(shè)備70 平視顯示器(HUD)100 圖像觀察者101、105 —只眼睛110光通量生成單元111投影儀112 光通量112a輻射區(qū)域130 圖像形成單元131 屏幕150視場控制單元151液晶快門玻璃152偏振玻璃對160 圖像形成單元162a、162b 平板反射鏡163a、163b 凹面反射鏡164a、164b 棱鏡165a漫反射屏166b 透光板167 高反射層168層壓光學(xué)體170,370發(fā)散控制單元171 透鏡172、401 微透鏡板172a半圓柱透鏡173全息漫射器173a 微不規(guī)則部(micro irregularity)174微透鏡
175漸變折射率型微透鏡190 光學(xué)元件230 半反射鏡250圖像投影儀251、252偏振濾波器260 屏幕262背景投影圖像270指定的參考標(biāo)記271 深度方向371、372 透鏡373 光闌374 光源375準(zhǔn)直器單元378投影透鏡402、402a 非球面菲涅爾透鏡403用于觀察的視圖461、463 圖像462、762 虛像601 控制單元602 圖像拾取單元603 圖像判斷單元604 圖像信號單元700 駕駛員710前玻璃(窗口護(hù)罩，透明板)711反射層(半反射鏡)720 儀表盤730 汽車(車輛)740發(fā)散控制機(jī)構(gòu)750光通量投影單元
具體實施例方式(第一實施例)圖1示出了圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖；圖1A、1B、1C分別是橫截面的示意性側(cè)視圖、示意性側(cè)視圖和示意性前視圖。如在圖IA中所示，第一實施例的顯示設(shè)備10是一種頭部安裝型顯示設(shè)備(HMD)，并且具有生成包含圖像信息的光通量112的光通量生成單元110，基于光通量112形成圖像 的圖像形成單元130和控制光通量112以使得光通量112入射至圖像觀察者100的一只眼 睛105的視場控制單元150。說明性地，光通量生成單元110可以是投影儀111并且其生成形成投影圖像的光通量112。在圖1中，其說明性地提供在圖像觀察者110的頭部上。圖像信息單元130例如是類似圓頂形狀的屏幕131，其提供在圖像觀察者100的前面，其反射光通量112以形成 圖像461。此外，說明性地，視場控制單元150在圖1中為液晶快門玻璃151，其使得光通量 112入射至圖像觀察者100的一只眼睛。此外，液晶快門玻璃151可以配置用于使得光通 量112入射至圖像觀察者100的優(yōu)勢眼側(cè)的眼睛，而不是使光通量112入射至非優(yōu)勢眼側(cè) 的眼睛。在圖1所圖示說明的顯示設(shè)備10中，圖像信息單元130和圖像觀察者100的眼睛 之間的距離設(shè)定為27cm。就是說，組成圖像形成單元130的光學(xué)元件190是屏幕131，最接 近圖像觀察者100的一只眼睛105的光學(xué)元件190是屏幕131并且最接近觀察者100的一 只眼睛105的光學(xué)元件190和用于觀察的一只眼睛105之間的距離設(shè)定為27cm。如上所述，可以通過使用顯示設(shè)備10將投影圖像呈現(xiàn)至用于觀察的一只眼睛105 來提供具有增強(qiáng)的深度感覺的被顯示圖像。這允許容易地實現(xiàn)增強(qiáng)的深度感覺的投影圖像 的可感知并且顯示高真實感覺而不需要復(fù)雜的設(shè)備配置和圖像處理。下文中，將描述細(xì)節(jié)。圖2是圖示說明對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的特征的實驗結(jié)果的圖表。圖2示出了當(dāng)用一只眼睛(單一眼睛)觀察和當(dāng)用兩只眼睛觀察時深度感覺的主 觀評估結(jié)果。就是說，使用在圖1所圖示說明的顯示設(shè)備10中，使用液晶快門玻璃151，從 而該快門操作允許通過在一只眼睛狀態(tài)和兩只眼睛狀態(tài)之間切換來交替的觀察。此外，對 各種投影測試圖像進(jìn)行顯示并且履行對當(dāng)用單眼視力觀察圖像時顯示性能與當(dāng)用雙眼視 力觀察時的性能相比的主觀評估。這里，使用總計包括_3、-2、_1、0、1、2和3的值的七個 等級的評估尺度來評估三種評估項“給出深度感覺”、“給出立體效果”和“給出真實感覺”。 此外，通過假定由雙眼視力觀察的主觀評估為0 (標(biāo)準(zhǔn))來確定在單眼視力的狀態(tài)中的評估 值。在所有三個評估項中獲得正值指示單眼視力比雙眼視力(標(biāo)準(zhǔn))優(yōu)越。在圖2中水平 軸代表三種評估項，并且垂直軸代表在評估項上的值。要注意，在上面的評估項中，“給出深 度感覺”主要是關(guān)于出現(xiàn)在所觀察的投影圖像中的多個對象中的深度關(guān)系的感知的評估； “給出立體效果”主要是關(guān)于出現(xiàn)在投影圖像中的一個對象的形狀的立體效果的感知的評 估；并且“給出真實感覺”主要是關(guān)于在考慮所有這些的情況下圖像空間的真實可感知性。如在圖2中所示，任意評估項指示正值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過單眼視力觀察，與雙眼視 力相比允許實現(xiàn)將“給出深度感覺”、“給出立體效果”和“給出真實感覺”的顯示。通過上面的單眼視力實現(xiàn)的增強(qiáng)的深度感覺的感知與常規(guī)地通過雙眼視力的深 度感覺的感知有完全不同的原理。下文中，將描述履行關(guān)于通過單眼視力感知深度感覺的增強(qiáng)效果的實驗。圖3示出了圖示說明用于評估根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的特征的實 驗光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。圖3A是實驗光學(xué)系統(tǒng)的示意性平面圖，而圖3B是示出在實驗中的圖像觀察者的 狀態(tài)的示意圖。如在圖3A中所示，液晶顯示器(LCD) 210用作生成光通量112的光通量生成 單元110。由丙烯制成的半反射鏡230用作圖像形成單元130。此外，偏振玻璃對152具有 在左眼和右眼中具有不同的偏振方向的偏振濾波器，其用作視場控制單元150。從LCD210發(fā)出的光通量112在由丙烯制成的半反射鏡230反射，并且圖像觀察者100觀察通過該反 射獲得的圖像461(虛像462)。這里，調(diào)整偏振玻璃對152以便使得對于在半反射鏡230上 反射的圖像，偏振濾波器251 (A)處于光透過狀態(tài)而另一個偏振濾波器252 (B)處于光阻擋 狀態(tài)。這使得圖像觀察者100僅以一只眼睛105觀察圖像，而不用另外一只眼睛101觀察 圖像。此外，使用圖像投影儀250將背景投影圖像262投影在屏幕260上。
而且，隨著從半反射鏡230到用于觀察的圖像觀察者100的一只眼睛105的距離 L的改變，測量從IXD 210的投影圖像上可感知的深度距離。要注意，IXD 210和半反射 鏡230之間的距離是30cm。從半反射鏡230到用于觀察的一只眼睛105之間的距離L在 IOcm-IOOcm的范圍中變化。這里，到半反射鏡230的距離的標(biāo)準(zhǔn)點設(shè)定為在反射光通量112 的半反射鏡230的反射區(qū)域中的中心點。而且，在用于圖像觀察者100觀察的視場的一側(cè)上沿著深度方向271提供軌道 273，特定的參考標(biāo)記270放置在軌道273上，從而使得參考標(biāo)記270可以沿著深度方向271 移動。并且，當(dāng)圖像觀察者100觀察圖像461時(虛像462)，參考標(biāo)記270放置在這樣的 位置處，在該位置處其給出與關(guān)于圖像461 (虛像462)所感知的深度感覺相同的深度感覺， 并且測量從圖像觀察者100上的眼點(ey印oint)到參考標(biāo)記270的距離Li。距離Ll取 為所感知的深度距離Lp。另外，如在圖3B中所示，偏振玻璃對152的構(gòu)架部分的圖像觀察 者100 —側(cè)平面基本上取為圖像觀察者100的前額的位置，并且測量參考標(biāo)記270和從一 只眼睛105圖像觀察者100的眼點之間的距離Li。另外，在圖3A示出的實驗光學(xué)系統(tǒng)中，基于IXD210的光通量生成單元110、基于半 反射鏡230的圖像形成單元130和基于使光通量入射至一只眼睛的偏振玻璃對152的視場 控制單元150構(gòu)成了本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備。并且組成圖像形成單元130的光學(xué) 元件190是半反射鏡230。換言之，在組成圖像形成單元130的光學(xué)元件190中，最接近于 圖像觀察者100的用于觀察的一只眼睛105的光學(xué)元件是半反射鏡230。圖4是圖示說明對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備的特征進(jìn)行評估的實驗 結(jié)果的圖表。圖4的水平軸表示從半反射鏡230到用于觀察的圖像觀察者100的一只眼睛105 的距離L (光學(xué)元件的距離)。圖4的垂直軸表示從虛像462的形成位置到圖像觀察者100 的一只眼睛105的距離Lo和所感知的深度距離Lp之間的差異(深度距離差異)dL。就是 說，當(dāng)所感知的深度與虛像的位置吻合時，dL為0。dL的正值指示所感知的深度距離Lp大 于虛像的位置的距離Lo。更具體地，深度距離差異dL指示深度感知的增強(qiáng)程度。在圖4中實線表示實驗數(shù)據(jù)，且誤差條指示dL的平均，并且顯示了在光學(xué)元件的 距離為L的情況下的標(biāo)準(zhǔn)偏差。此外，基于30cm或更長的L的實驗性數(shù)據(jù)，確定關(guān)于中心 值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的上限和下限的近似直線，然后通過間斷線顯示平均值的近似直線，通過虛 線顯示標(biāo)準(zhǔn)偏差的上限的近似直線，并且通過雙點劃線顯示標(biāo)準(zhǔn)偏差的下限的近似直線。如圖4的實線所示，當(dāng)光學(xué)元件的距離L小時，深度距離差異接近于0，并且所感知 的深度感覺幾乎與虛像的深度相同。然而，如果L超過20cm，dL增加，并且顯示出所觀察的 圖像被感知為比虛像461更深。換言之，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在通過一只眼睛的觀察中，形成圖像的光學(xué)元件在長于大約 20cm的距離L處，深度的感知被增強(qiáng)了。
下文中，將描述細(xì)節(jié)。作為對一只眼睛的投影系統(tǒng)的繼續(xù)研究結(jié)果，本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)顯示系統(tǒng)的特征的 巨大影響因素是最接近于圖像觀察者100的光學(xué)元件190 (稱為，最接近光學(xué)元件)的位 置。就是說，放置在眼睛前的光學(xué)元件190的位置是人類感受由顯示設(shè)備呈現(xiàn)的投影圖像 的深度感知的重大影響因素。圖像投影系統(tǒng)的顯示平面用作可感知深度感覺的各位置中的最前方錨點。已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，該錨點的位置以特定值或者更大值變遠(yuǎn)，并且至一只眼睛的投影圖像的呈現(xiàn)使得該投 影圖像能夠在人類深度感覺的調(diào)整幅度內(nèi)被感知為更遠(yuǎn)。本發(fā)明是基于關(guān)于在圖4中所圖示說明的人類單眼視力的新發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生的。例如，在常規(guī)單眼方法MHD中，顯示單元(圖像形成單元)放在圖像觀察者的眼睛 的正前方，并且圖像形成單元和眼睛之間的距離是幾厘米或者更短。從而，放置得比人類調(diào) 整極限近圖像形成單元不能是錨點。因此，由于人類觀察投影圖像時假定該圖像放置在容 易感知的位置，所以人類僅感知小顯示平面(顯示器)位于眼睛的正前方，不能感知深度感 覺。與此相反，在本發(fā)明的實施例的顯示設(shè)備中，因為最接近于用于觀察的一只眼睛 105的光學(xué)元件190 (最接近光學(xué)元件)將圖像以比所認(rèn)定位置更遠(yuǎn)的方式(放置得更遠(yuǎn)) 呈現(xiàn)給一只眼睛105，可以增強(qiáng)深度感知。認(rèn)為人類視野感覺通過使用要被感知的物理對象和現(xiàn)有分配位置之間的確定的 差異更清晰判斷深度距離。在圖3所圖示說明光學(xué)系統(tǒng)中，最接近圖像觀察者的光學(xué)元件 190的平面(在圖3中以半反射鏡230說明)被用作在深度感覺的判斷中最接近的分配位 置(最接近的光學(xué)元件)。當(dāng)最接近的分配位置非常近時，所感知的深度感覺放置得近，這 是因為虛像462的位置拖在最接近的分配位置后。因此，到虛像462的距離Lo和所感知的 深度感覺Lp之間的差異小。然而，如果最接近的分配點(半反射鏡230)放置遠(yuǎn)指定值或 更大值，由于感知誤差認(rèn)為主觀實像深度位置放置得更遠(yuǎn)以更容易地被感知。此外，描述了圖4。如在圖4中由虛線所示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的上限的近似特征是dL = 3. 7614xL-81. 619 (R2 = 0. 9624)，并且所感知的深度開始變得比在L為21. 7cm或者21. 7cm 以上處的實像的位置更深。此外，如由圖4中的間斷線所示，中心值的近似特征是dL = 2. 2221xL-56. 634(R2 =0. 9495)，并且所感知的深度距離比在L為25. 5cm或者25. 5cm以上的虛像的位置。此外，如由圖4中的雙點劃線所示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的下限的近似特征是dL = 1. 2029xL-76. 237 (R2 = 0. 8871)，并且?guī)缀跛袌D像觀察者感知比虛像形成位置深的深度感覺。因此，在本發(fā)明的第一實施例的顯示設(shè)備10中，布置使得在各構(gòu)成光學(xué)元件190 中最接近于圖像觀察者100的一只眼睛105的光學(xué)元件190 (最接近光學(xué)元件)和一只眼 睛105之間的距離優(yōu)選地為21. 7cm或者21. 7cm以上，另外，更優(yōu)選地25. 5cm或者25. 5cm 以上，并且更有選地63. 4cm或者63. 4cm以上。 另外，類似如在圖1中所圖示說明的顯示設(shè)備10，可以在屏幕131的部分上提供半 透明區(qū)域159，以使得能夠同時觀察外側(cè)背景圖像和圖像461 (虛像462)。
(第二實施例)接下來，將描述第二實施例。圖5是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示裝置的構(gòu)造的示意性橫截面?zhèn)?視圖。如在圖5中所示，本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備20是一種HMD，并且包括生成 包含圖像信息的光通量112的光通量生成單元110，基于該光通量112形成圖像的圖像形成 單元160以及通過控制發(fā)散角使光通量112入射至圖像觀察者的一只眼睛的發(fā)散角控制單 元170。需要注意，“控制”不僅包括主動控制，還包括被動控制，其使得通量偏離以在入射 至發(fā)散角控制單元170時具有特定的發(fā)散角。顯示設(shè)備20包括說明性地基于發(fā)散角控制 單元170的視場控制單元。光通量生成單元110可以說明性地基于投影儀111來生成光通量112，以形成投影 圖像。圖像形成單元160可以說明性地基于形如圓頂?shù)钠聊?61，其被提供在圖像觀察者 100前面并反射光通量112以形成圖像463。此外，發(fā)散角控制單元170可以基于透鏡171 等，并且使得能夠控制光通量112的發(fā)散角，使得光通量112入射至圖像觀察者100的一只 眼睛105。屏幕161優(yōu)選地使光擴(kuò)散率降低到一定程度以便使得由發(fā)散角控制單元170控 制來控制光通量112入射至所述一只眼睛105的發(fā)散角，并且可以基于基本沒有擴(kuò)散的丙 烯樹脂等。像這樣，在圖5中圖示的顯示設(shè)備20控制發(fā)散角并具有入射至圖像觀察者100的 一只眼睛的光通量112，并且因此與為觀察者100呈現(xiàn)大區(qū)域的光通量的情況(例如，入射 至兩只眼睛)相比，能夠提供具有更高亮度的投影圖像但是消耗更低能量。此外，在圖5中所圖示的顯示設(shè)備20中，屏幕161和觀察者100的用于觀察的一 只眼睛105之間的距離設(shè)定為27cm。如上所述，這實現(xiàn)了對深度感覺的感知的增強(qiáng)效果。 艮口，在圖5中所圖示的顯示設(shè)備20中，組成光通量生成單元110、圖像形成單元160和發(fā)散 角控制單元170的各光學(xué)元件中，最接近用于觀察的一只眼睛105的光學(xué)元件190(最接近 光學(xué)元件)是圖像形成單元160 (屏幕161)，其與用于觀察的一只眼睛105的距離為27cm。這使得顯示器允許容易地實現(xiàn)增強(qiáng)的深度感覺的感知而不需要復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)造 和圖像處理，并且允許能夠?qū)崿F(xiàn)給出高真實感覺的顯示。在上述的顯示設(shè)備20中，控制光通量112的發(fā)散角以將被投影圖像呈現(xiàn)給圖像觀 察者100的一只眼睛105。此時將描述至圖像觀察者100的光通量112的輻射狀態(tài)。圖6示出了圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的光通量的形狀的示 意圖。圖6A-6F圖示說明在本實施例的顯示設(shè)備中光通量112的有利狀態(tài)。并且圖6G 和6H圖示說明光通量112的不利狀態(tài)。如在圖6A-6F中所示，必須使光通量至圖像觀察者100的輻射區(qū)域112a不與圖像 觀察者100的不用于觀察的一只眼睛101重疊，并且與用于觀察的一只眼睛105重疊，并且 其區(qū)域可以具有任意形狀。更具體地，該形狀可以如在圖6A到6D中所圖示的為橫向?qū)挼模?并且如在圖6C和6D中所示為垂直方向長，或者如在圖6E和6F中所圖示的斜向上(swash)。 相反，應(yīng)該避免如在圖6G和6H中所圖示說明的沒有光通量入射至兩只眼睛?？梢酝ㄟ^控制光通量112的發(fā)散角來控制光通量112至圖像觀察者100的輻射區(qū)域112a。即，這可以通過在圖5中所圖示的透鏡171等來實現(xiàn)。此外，這可以通過各種光學(xué) 元件190來實現(xiàn)。圖7示出了圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的發(fā)散角控制單元的 示意圖。如在圖7A中所示，發(fā)散角控制單元170(370)可以例如基于第一透鏡371、光闌 373和第二透鏡372這些光學(xué)元件。此外，如果第一透鏡的焦距是fl并且第二透鏡的焦距 是f2，光闌373放置在距離第一透鏡fl且距離第二透鏡f2的位置處。在該配置中，發(fā)散 角控制單元370可以通過例如將光源374、準(zhǔn)直單元375和圖像設(shè)備376組合來使用，說明 性地該圖像設(shè)備376基于形成投影圖像的液晶顯示元件。此外，放置第一透鏡371使得從 準(zhǔn)直單元375的出口位置到第一透鏡371的距離為Π并且放置第二透鏡使得從第二透鏡 372到圖像設(shè)備376的距離為f2。由此，來自光源374的光通量被光闌373收集并且入射 至圖像設(shè)備376，以便于通過第二透鏡372進(jìn)一步控制發(fā)散角的狀態(tài)。入射至圖像設(shè)備376 的光通量到達(dá)圖像觀察者時，光通量具有受控的發(fā)散角。此時，可以通過改變圖像設(shè)備376 的直徑容易地控制光通量112的輻射區(qū)域112a并且可以將光通量入射至圖像觀察者100 的一只眼睛。此外，如在圖7B中所示，發(fā)散角控制單元170可以例如基于微透鏡板172。如在圖7C中所示，說明性地，可以通過改變微透鏡板172的半圓柱透鏡172a的曲率來控制發(fā)散角。 例如，如在圖6C-6F中所圖示的，該微透鏡板可以用于實現(xiàn)將發(fā)散角集聚在縱向方向(一個 方向)。此外，如在圖7D中所示，發(fā)散角控制單元170可以基于全息漫射器173。如在圖 7E中所示，全息漫射器173在其表面上具有微不規(guī)則部173a，并且可以通過改變該微不規(guī) 則部173a的形狀、大小和分布密度等來控制發(fā)散角。此外，發(fā)散角控制單元可以基于各種光學(xué)元件。圖8示出了圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的發(fā)散角控制單元的 示意圖。如在圖8A中所示，發(fā)散角控制單元170可以基于這樣布置的光學(xué)元件即其布置 使得每個半圓柱透鏡172a的延伸方向基本上為垂直的并且半圓柱透鏡172a面向彼此。此外，如在圖8B中所示，還可以使用這樣的光學(xué)元件，其具有微透鏡陣列，該微透 鏡陣列帶有形如圓頂?shù)囊灾本€布置在平板上的微透鏡174。此外，如在圖8C中所示，還可以使用這樣的光學(xué)元件，其具有微透鏡陣列，該微透 鏡陣列帶有形如圓頂?shù)囊粤呅蚊芏逊e(hexagonal closedpacking)布置在平板上的微透 鏡 174。此外，如在圖8D中所示，可以使用這樣的光學(xué)元件，其具有微透鏡陣列，該微透鏡 陣列具有以基本上圓折射系數(shù)(circular refractive index)分布在平板上的二維分布的 漸變折射率型微透鏡175。在由像這樣的各種光學(xué)元件190組成的發(fā)散角控制單元170中，可以通過控制半 圓柱透鏡172a和形如圓頂?shù)奈⑼哥R174的形狀，以及漸變折射率型微透鏡175所使用材料 的折射率和折射率分布來控制光通量112的發(fā)散角。另外，除了上述元件以外，還可以使用 各種光學(xué)元件用于發(fā)散角控制單元170，例如具有多個峰和凹槽的形如平行布置的三角桿的棱鏡片、各種百葉片、形如頂部截斷的三棱錐的多個波導(dǎo)的布置。另一方面，在本實施例的顯示設(shè)備20中，具有各種構(gòu)造的光學(xué)元件可以用于圖像形成單元160。圖9示出了圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的顯示設(shè)備的圖像形成單元的示 意圖。如在圖9A-9D中所圖示的，圖像形成單元160可以基于諸如平板反射鏡162a、凹面 鏡163a、棱鏡164a和散射屏165a等等的光學(xué)元件。此外，如在圖9E到9G中所圖示的，圖像形成單元160可以基于諸如半透明平反射 鏡162b、凹面反射鏡163b和棱柱164b等等的光學(xué)元件。此外，如在圖9H中所示，還可以使用由其上具有慢曲率和高反射層167的透光板 166b制成的層壓光學(xué)體168等的光學(xué)元件。此外，還可以使用在上面的平板反射鏡162b、 凹面反射鏡163a和棱鏡164a、散射屏165a、半透明平反射鏡162b、凹面反射鏡163b和棱鏡 164b的各自表面上提供有高反射層167的結(jié)構(gòu)。高反射層167可以由膜或?qū)訅耗?gòu)成，該 膜或?qū)訅耗た梢杂筛鞣N無機(jī)化合物和有機(jī)化合物制成。如上面所述，說明性地，具有半透性的光學(xué)元件的使用允許同時觀察背景圖像和 投影圖像，并且其可以容易地應(yīng)用到例如HUD等。此外，圖像形成單元160可以由多個上面的各種光學(xué)元件的組合構(gòu)成。更具體地，如在圖9I-9L中所圖示的，可以使用將平板反射鏡162a、凹面反射鏡 163a、棱鏡164a、散射屏165a與平板反射鏡162a組合的結(jié)構(gòu)。此外，如在圖9M-9P所圖示的，可以使用將平板反射鏡162a、凹面反射鏡163a、棱 鏡164a、散射屏165a與凹面反射鏡163a組合的結(jié)構(gòu)。此外，如在圖9Q-9T中所圖示的，可以使用將半透明平反射鏡162b、凹面反射鏡 163b、棱鏡164b、透光板166b和高反射層167的層壓光學(xué)體，與凹面反射鏡264a組合的結(jié) 構(gòu)。此外，該光學(xué)元件可以基于偏轉(zhuǎn)光路徑的各種機(jī)構(gòu)，例如多面反射鏡、五角棱鏡、 五角反射鏡、多邊棱鏡和多邊反射鏡?？梢允褂冒济嫘畏瓷溏R或者通過布置多個微平板反 射鏡配置的類似元件。另外，圖像形成單元160可以基于這些光學(xué)元件與例如光收集光學(xué) 元件的組合，該光收集光學(xué)元件例如非球面菲涅爾透鏡等。此外，發(fā)散角控制單元170可以用作圖像形成單元160。組成發(fā)散角控制單元170 的光學(xué)元件可以用作組成圖像形成單元160的光學(xué)元件的一部分。當(dāng)發(fā)散角控制單元170 由多個光學(xué)元件Al-An組成，且圖像形成單元160由多個光學(xué)部件Bl-Bn組成時，光學(xué)元件 Al-An和Bl-Bn可以任意地布置，只要其性能能夠?qū)崿F(xiàn)。例如，沿著光通量112的行進(jìn)方向， 它們可以以Al、A2、A3到An, B1、B2、B3到Bn的順序，并且也可以以混合的順序，例如，Al、 B1、B2、A2、B3、A3以此類推。即，組成發(fā)散角控制單元170和圖形形成單元160的光學(xué)元件 可以彼此以混合狀態(tài)布置。另一方面，本實施例的顯示設(shè)備20中，光通量生成單元110還可以基于各種配置。 例如，可以使用諸如激光、LED(發(fā)光二極管)和鹵素?zé)舻母鞣N類型光源與反射鏡等對由光 源生成的光通量進(jìn)行掃描的光學(xué)元件的組合結(jié)構(gòu)。此外，還可以使用各種類型光源與包括 LCD和MEMS等的各種類型的光學(xué)開關(guān)的光學(xué)元件的組合。就是說，可以使用任意配置，只要能夠生成包含圖像信息的光通量112即可。注意到，在光通量生成單元110包括光學(xué)元件的情況下，發(fā)散角控制單元170可以 用作組成圖像形成單元160的光學(xué)元件。組成光通量生成單元110的光學(xué)元件和組成發(fā)散 角控制單元170和圖像形成單元160的各光學(xué)元件可以彼此以混合狀態(tài)布置。在本實施例的顯示設(shè)備20中，在組成光通量生成單元110、圖像形成單元160和發(fā) 散角控制單元170的各光學(xué)元件中，最接近于圖像觀察者100的用于觀察的一只眼睛105 的光學(xué)元件(最接近光學(xué)元件)與用于觀察的一只眼睛105之間的距離設(shè)定為21. 7cm或 者21. 7cm以上。這可以提供對在圖4中描述的深度感覺的感知的增強(qiáng)效果。就是說，如在圖4中所描述的，其中的放置使得最接近光學(xué)元件和用于觀察的一 只眼睛105之間的距離優(yōu)選為21. 7cm，更優(yōu)選地為25. 5cm或者25. 5cm以上，并且更加優(yōu)選 地為63. 4cm或63. 4cm以上。這可以提供深度感覺的感知的增強(qiáng)效果。像這樣，本實施例的顯示設(shè)備20使得顯示器能夠允許容易地實現(xiàn)增強(qiáng)的深度感 覺的感知而不需要復(fù)雜設(shè)備構(gòu)造和圖像處理，并且可以實現(xiàn)給出高真實感覺的顯示。注意到，例如圖像觀察者100所佩戴的用于校正一個人的視力的一副眼鏡等以及 太陽鏡不認(rèn)為是組成光通量生成單元110、圖像形成單元160、發(fā)散角控制單元170的光學(xué) 元件，而認(rèn)為是圖像觀察者100的一部分。(第三實施例)接下來，將描述第三實施例。圖10是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的顯示設(shè)備的配置的示意性橫截面視 圖。如在圖10中所示，根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的顯示設(shè)備23可以基于生成包含圖 像信息的光通量112的投影儀111，其用作光通量生成單元110。光通量112通過投影透鏡 378投影到微透鏡板401上，圖像形成在微透鏡板401上并且形成實像。該圖像被半透明 球形凹面反射鏡163b反射并且該實像被投影到圖像觀察者100。給出了被球形凹面反射 鏡163b放大的實像。此外，可用于圖像觀察者100的被投影圖像的視場可以被凹面反射鏡 163b的曲率所改變。另外，圖示說明了微透鏡板401，其在入射側(cè)具有0.03的數(shù)值孔徑NA 并且在出射側(cè)具有0. 1的數(shù)值孔徑NA，然而，其不限于這些值。在圖10的顯示設(shè)備中，光通量生成單元110包括投影儀111、投影透鏡378和微 透鏡板401。另外，圖像形成單元160和發(fā)散角控制單元170由微透鏡板401和凹面反射 鏡163b構(gòu)成。更具體地，凹面反射鏡163b基于形成在微透鏡板401上的實像的光通量112 形成虛像462。微透鏡板401的發(fā)散角和凹面反射鏡163b的曲率使得能夠控制光通量112 的發(fā)散角，并且光通量112的輻射區(qū)域112a在圖像觀察者100的位置處基本為直徑為6cm 的圓。這允許光通量112入射至圖像觀察者100的一只眼睛以呈現(xiàn)被投影圖像到所述一只 眼睛。此外，在顯示設(shè)備23中，在組成光通量生成單元110、圖像形成單元160和發(fā)散角 控制單元170的光學(xué)元件190中，最接近于圖像觀察者100的用于觀察的一只眼睛105的 光學(xué)元件190 (最接近光學(xué)元件)是凹面反射鏡163b，凹面反射鏡163b和用于觀察的一只 眼睛105之間的距離L設(shè)定為100cm。在像這樣配置的顯示設(shè)備23中，由于光通量112入射至圖像觀察者100的一只眼睛105并且最接近光學(xué)元件和用于觀察的一只眼睛之間的距離為21. 7cm或者21. 7cm以 上，所以可以實現(xiàn)感知深度感覺的增強(qiáng)效果。例如，在圖10中所圖示的顯示設(shè)備23中當(dāng)虛 像462的形成位置和一只眼睛105之間的距離Lo為300cm時，所感知的圖像仿佛是放置在 比其深的方向上的，例如仿佛為在350到600cm的距離所感知的。像這樣，本實施例的顯示設(shè)備23使得能夠容易地實現(xiàn)具有增強(qiáng)的深度感覺的感 知并且實現(xiàn)給出高真實感覺的顯示。(第四實施例)接下來，將描述第四實施例。圖11是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖11中所示，第四實施例的顯示設(shè)備24中，使用平板反射鏡162a和層壓光 學(xué)體168來代替在圖10中所圖示說明的顯示設(shè)備23的凹面反射鏡163b，并且附加地將用 作光收集光學(xué)元件的非球面菲涅爾透鏡402放置在平板反射鏡162a和層壓光學(xué)體168之 間。層壓光學(xué)體168由透光板166b和半透明高反射層167構(gòu)成。在圖11所圖示的顯示設(shè)備24中，微透鏡板401的光學(xué)特征使得能夠控制光通量 112的發(fā)散角，并且在圖像觀察者100的位置處光通量112的輻射區(qū)域112a可以基本上為 直徑6cm的圓。這允許要入射至圖像觀察者100的一只眼睛的光通量112將被投影圖像呈 現(xiàn)給所述一只眼睛。此外，最接近光學(xué)元件是層壓光學(xué)體168。該層壓光學(xué)體168和用于觀察的一只眼 睛105之間的距離設(shè)定為100cm。由此，顯示設(shè)備24使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)的 深度感覺的感知的顯示并且實現(xiàn)給出具有高真實感覺的顯示。另外，在圖11中圖示的顯示設(shè)備24具有這樣的優(yōu)點，即其與在圖10中圖示的顯 示設(shè)備23相比實現(xiàn)該設(shè)備構(gòu)造的尺寸縮小，因為平板反射鏡162a放置在圖像觀察者100 的用于觀察的視場403之下。此外，平板反射鏡162a的角度調(diào)整可以控制輸出光通量112 的方向，并且變化光通量112的輸出方向根據(jù)圖像觀察者100的位置的調(diào)整可以將投影圖 像呈現(xiàn)給圖像觀察者100的一只眼睛105。另外，光收集光學(xué)元件還可以基于正球面透鏡和凹面反射鏡等等，而不是上面的 非球面菲涅爾透鏡402。可以通過凹面反射鏡163a替代平板反射鏡163a。可以通過將透光板166b設(shè)定到車輛等的前玻璃將在圖11中圖示的顯示設(shè)備24 可以用于J1UD。更具體地，在HUD中，將諸如車輛信息的投影圖像呈現(xiàn)在前玻璃上作為虛像。這 里，在正常HUD中，虛像的形成位置近似位于距圖像觀察者1. 5-2. 5m的位置處(與車輛的 前邊緣近似處于相同位置)，然而，在正常駕駛狀態(tài)中，駕駛員注視在駕駛車輛前面的車輛 和路面情況，并且通常視覺上識別得比駕駛車輛的前邊緣更遠(yuǎn)，與虛像的形成位置不同。這 樣，在常規(guī)HUD中，投影圖像的可視性差。相反，如果將本實施例的顯示設(shè)備24應(yīng)用至HUD， 可以在比虛像的形成位置更遠(yuǎn)處感知虛像，這樣可以實現(xiàn)具有優(yōu)良可視性的HUD以支持車 輛等的安全駕駛。另外，提供了控制例如投影儀111、投影透鏡378和微透鏡板401等的放置位置和 角度而不是平板反射鏡162a的放置位置和角度的控制單元601，可以為圖像觀察者100呈 現(xiàn)好的投影圖像。
(第五實施例)接下來，將描述第五實施例。圖12是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖12中所示，在第五實施例的顯示設(shè)備25中，具有背光的LCD404用作在圖 11中所圖示的顯示設(shè)備24的光通量生成單元110。此外，在LCD前面，放置微透鏡板401 作為發(fā)散角控制單元170。在圖12中所圖示的顯示設(shè)備25中，微透鏡板401的光學(xué)特性使得能夠控制光通 量112的發(fā)散角，并且在圖像觀察者100的位置處光通量112的輻射區(qū)域112a可以基本上 為直徑6cm的圓。這允許將要被入射至圖像觀察者100的一只眼睛的光通量112將投影圖 像呈現(xiàn)給所述一只眼睛。此外，最接近光學(xué)元件是層壓光學(xué)體168。該層壓光學(xué)體168和用于觀察的一只眼 睛105之間的距離被設(shè)定為100cm。由此，顯示設(shè)備25使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng) 的深度感覺的感知的顯示并且實現(xiàn)給出高真實感覺的顯示。另外，在圖12中所圖示的顯示設(shè)備25的優(yōu)勢是，與在圖10中所圖示的顯示設(shè)備 23相比實現(xiàn)了設(shè)備構(gòu)造的尺寸減小，這是因為將IXD 404用作光通量生成單元110。此外， 可以使用各種類型的顯示器取代IXD404，例如CRT(陰極射線管)、熒光顯示管(VFD 真空 熒光顯示器)、PDP (等離子體顯示面板)、EL (電發(fā)光)顯示設(shè)備、有機(jī)EL顯示設(shè)備等。(第六實施例)接下來，將描述第六實施例。圖13是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖13中所示，在第六實施例的顯示設(shè)備26中，第二平板反射鏡162a2用于代 替在圖11中所圖示的顯示設(shè)備24中的層壓光學(xué)體168。與顯示設(shè)備24 —樣，顯示設(shè)備26使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)的深度感覺 的感知的顯示并且能夠?qū)崿F(xiàn)給出高度的真實感覺的顯示。此外，對于在圖11中所圖示的顯示設(shè)備24，能夠觀察到所生成的投影圖像和用于 觀察的視場403的背景信息，然而，在圖13中所圖示的顯示設(shè)備26中，觀察所生成的投影 圖像，從而可能感知具有較高真實感覺的投影圖像，并且可以提供用于觀察和游戲，并且進(jìn) 一步地適于各種目的來生成所指示的環(huán)境情形的顯示器。第七實施例 接下來，將描述第七實施例。圖14是圖示根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖14中所示，在第七實施例的顯示設(shè)備27中，在圖13中所圖示的顯示設(shè)備 26的非球面菲涅爾透鏡402的放置位置從在平板反射鏡162a和第二平板反射鏡162a2之 間改變到第二平板反射鏡162a2和圖像觀察者100之間。在該情況下，最接近的光學(xué)元件 是非球面菲涅爾透鏡402并且在非球面菲涅爾透鏡402和圖像觀察者用于觀察的一只眼睛 之間的距離取為70cm。在圖14中所圖示的顯示設(shè)備表示到圖像觀察者100的一只眼睛的投影圖像并且 在最接近光學(xué)元件和用于觀察的一只眼睛105之間的距離L為21. 7cm或者21. 7cm以上， 從而使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示并且可以實現(xiàn)給出高真實感覺的顯示。(第八實施例)接下來，將描述第八實施例。圖15是圖示根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖15中所示，第八實施例的顯示設(shè)備28中，使用棱鏡164a來代替在圖13中 所圖示的顯示設(shè)備26的第二平板反射鏡162a2。最接近光學(xué)元件是該棱鏡164a，并且棱鏡 164a和圖像觀察者100用于觀察的一只眼睛105之間的距離取為90cm。像顯示設(shè)備26 —樣，顯示設(shè)備28呈現(xiàn)投影圖像給圖像觀察者100的所述一只眼 睛并且在最接近光學(xué)元件和用于觀察的所述一只眼睛105之間的距離L為21. 7cm或者 21. 7cm以上，從而使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示并且可以實現(xiàn) 給出高真實感覺的顯示。(第九實施例) 接下來，將描述第九實施例。圖16是圖示根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖16中所示，第九實施例的顯示設(shè)備29的結(jié)構(gòu)還帶有非球面菲涅爾透鏡 402a，其用于校正在圖像觀察者100側(cè)的棱鏡164a的平面上的光通量。這允許對來自棱鏡 164a的輸出光整形以提高顯示均勻性。另外，在顯示設(shè)備中的最接近光學(xué)元件是該非球面 菲涅爾透鏡402a并且非球面菲涅爾透鏡402a和圖像觀察者用于觀察的一只眼睛105之間 的距離取為89cm。像顯示設(shè)備26 —樣，顯示設(shè)備29呈現(xiàn)投影圖像給圖像觀察者100的一只眼睛并 且在最接近光學(xué)元件和用于觀察的一只眼睛105之間的距離L為21. 7cm或者21. 7cm以 上，從而使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示并且實現(xiàn)給出高真實感 覺的顯示。(第十實施例)接下來，將描述第十實施例。圖17圖示根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖17中所示，第十實施例的顯示設(shè)備30中，在圖7A中描述的發(fā)散角控制單 元370用作在圖11中所圖示的顯示設(shè)備24的發(fā)散角控制單元170。此外，其與光源374和 準(zhǔn)直器單元375結(jié)合，并且圖像設(shè)備(IXD) 376形成投影圖像。另外，在圖11中圖示的顯示 設(shè)備24中，平板反射鏡162a被凹面反射鏡163a代替。像顯示設(shè)備23 —樣，在圖17中所圖示的顯示設(shè)備30呈現(xiàn)投影圖像給圖像觀察者 100的一只眼睛并且在最接近光學(xué)元件和用于觀察的一只眼睛105之間的距離L為21. 7cm 或者21. 7cm以上，從而使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示并且實 現(xiàn)給出高真實感覺的顯示。(第—十一實施例) 接下來，將描述第十一實施例。圖18圖示根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖18中所示，第十一實施例的顯示設(shè)備31中，與在圖12中圖示的顯示設(shè)備 25 —樣，使用具有背光的IXD 404和放置在其前面的透鏡板401，并且將散射屏165a用于圖像形成單元160?？刂粕⑸淦?65a的擴(kuò)散率(發(fā)散角)，并且使得將圖像呈現(xiàn)給圖像觀 察者100的一只眼睛105。此外，用作最接近光學(xué)元件的散射屏165a和圖像觀察者的用于 觀察的一只眼睛105之間的距離設(shè)定為60cm。在圖18中圖示的顯示設(shè)備31將投影圖像呈現(xiàn)給圖像觀察者100的一只眼睛，并 且在最接近光學(xué)元件和用于觀察的一只眼睛105之間的距離L為21. 7cm或者21. 7cm以 上，從而使得能夠容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)的深度感覺的感知的顯示并且能夠?qū)崿F(xiàn)給出高 真實感覺的顯示。如上所述，光通量生成單元110、圖像形成單元160和發(fā)散角控制單元170可以分 別基于各種光學(xué)部分和光學(xué)元件。在根據(jù)本發(fā)明實施例的顯示設(shè)備中，在技術(shù)允許范圍內(nèi)， 光通量生成單元110、圖像形成單元160和發(fā)散角控制單元170的各構(gòu)成元件可以用作雙重 目的并且可以互換，并且可以部分地刪除一些光學(xué)部分和光學(xué)元件。此外，在各實施例的顯示設(shè)備中，與在圖11中所圖示的顯示設(shè)備的一樣，可以提供控制單元601，用于控制組成光通量生成單元110、圖像形成單元160和發(fā)散角控制單元 170的各種光學(xué)元件的位置和角度以及光學(xué)特性。這允許有效地設(shè)定對應(yīng)于圖像觀察者 100的一只眼睛105的光通量112的輻射區(qū)域112a并且有效地呈現(xiàn)具有校正焦點的圖像。(第十二實施例)接下來，描述第二十二實施例。第十二實施例的顯示設(shè)備通過跟隨圖像觀察者 (頭部)的位置控制光通量的輻射位置。圖19是圖示根據(jù)本發(fā)明的第十二實施例的顯示設(shè)備的構(gòu)造的示意圖。如在圖19中所示，第十二實施例的顯示設(shè)備40還包括對圖像觀察者100 (頭部) 成像的圖像拾取單元602，和圖像判斷單元603，該圖像判斷單元603對通過圖像拾取單元 602成像的圖像進(jìn)行處理并且導(dǎo)出附加到圖11中所圖示的顯示設(shè)備24的圖像觀察者100 的眼睛的位置。然后，將平板反射鏡162a設(shè)定為可移動的并且配置使得可以通過控制單元 601控制平板反射鏡162a的角度和位置。附加地，將來自圖像信號單元604的圖像信號輸 入到投影儀111。圖像判斷單元603可以基于成像數(shù)據(jù)，例如使用在專利文本2中描述的方法來識 別兩個眼球、鼻子和嘴巴等的位置用作圖像觀察者100的面部的特征點。這允許識別和導(dǎo) 出圖像觀察者100的眼睛的位置?；谟蓤D像判斷單元603導(dǎo)出的圖像觀察者100的眼睛的位置的數(shù)據(jù)，控制單元 601例如改變可移動平板反射鏡162a的位置和角度，然后可以將被投影圖像呈現(xiàn)給用于觀 察的圖像觀察者100的一只眼睛105。由此，自動跟隨圖像觀察者100的頭部的運(yùn)動并且可 能控制被投影圖像的呈現(xiàn)位置。由圖像觀察者100的頭部的運(yùn)動引起的呈現(xiàn)位置的不對準(zhǔn) 由此變得不會發(fā)生并且可能帶來寬的實際觀察范圍。這使得能夠穩(wěn)定地提供具有增強(qiáng)的深 度感覺的感知，并且實現(xiàn)給出穩(wěn)定的真實感覺的顯示。以這種方式，可以通過直接成像或者通過對從組成顯示設(shè)備的任意光學(xué)元件輸出 的光進(jìn)行成像來執(zhí)行圖像觀察者100的頭部的成像。此外，在圖19所圖示的顯示設(shè)備40 中，通過可移動平板反射鏡162a來控制投影圖像到圖像觀察者100的呈現(xiàn)位置，然而，并不 限于此，可以調(diào)整組成顯示設(shè)備的各種光學(xué)元件中的所有技術(shù)允許的光學(xué)元件。此外，可以將像這種通過自動跟隨圖像觀察者100的眼睛的位置來改變光通量的位置的本實施例的顯示設(shè)備40應(yīng)用于HUD (例如)，并且其可以穩(wěn)定的提供允許具有增強(qiáng)深 度感覺的感知的顯示以支持汽車等的安全駕駛。(第十三實施例)接下來，描述第十三實施例的顯示方法。圖20是圖示根據(jù)本 發(fā)明的第十三實施例的顯示方法的流程圖。如在圖20中所示，在第十三實施例的顯示方法中，在第一個位置處，生成包含被 投影圖像信息的光通量112 (步驟S110)。光通量的生成可以基于這樣的結(jié)構(gòu)，其是之前描 述的諸如激光器、LED和鹵燈的各種光源與諸如反射鏡等對由光源生成的光通量進(jìn)行掃描 的光學(xué)元件190的組合。此外，可以使用將各種光源與由LCD和MEMS等的各種光學(xué)開關(guān)組 成的光學(xué)元件190組合的結(jié)構(gòu)等。接下來，基于光通量112形成圖像(步驟S120)?？梢允褂冒胪该骰蛘叻瓷湫云桨?反射鏡、凹面反射鏡、棱鏡、散射屏和透光板與高反射層的層壓光學(xué)體等形成圖像。接下來，通過控制光通量112的發(fā)散角使光通量112入射至圖像觀察者100的一 只眼睛(步驟S130)?？梢允褂弥懊枋龅耐哥R和光闌的組合、微透鏡板、全息漫射器、微透 鏡陣列、漸變折射率型微透鏡、各種棱鏡片、百葉片片以及形如頂部截斷棱錐的多個波導(dǎo)的 布置等來控制光通量112的發(fā)散角。這允許實現(xiàn)高亮度和低電功耗的顯示，并且將最接近光學(xué)元件和用于觀察的圖像 觀察者100的一只眼睛之間的距離設(shè)定為21. 7cm或者21. 7cm以上使得能夠容易地實現(xiàn)允 許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示并且實現(xiàn)給出高真實感覺的顯示，此外，實現(xiàn)支持汽車 等的安全駕駛的顯示。(第十四實施例)接下來，描述第十四實施例的顯示方法。圖21是圖示根據(jù)本發(fā)明的第十四實施例的顯示方法的流程圖。如在圖21中所示，在第十四實施例的顯示方法中，在第一個位置處，生成包含投 影圖像信息的光通量112 (步驟S210)。接下來，基于光通量112形成圖像(步驟S220)?？梢允褂冒胪该骰蚍瓷湫云桨宸?射鏡、凹面反射鏡、棱鏡、散射屏和透光板與高反射層的層壓光學(xué)體等形成圖像。接下來，最接近于用于觀察的圖像觀察者100的一只眼睛的光學(xué)元件(最接近光 學(xué)元件)與用于觀察的一只眼睛間隔21. 7cm或者21. 7cm以上放置，并且光通量入射至圖 像觀察者100的所述一只眼睛(步驟S230)。這使得容易地實現(xiàn)允許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示并且實現(xiàn)給出高真實感 覺的顯示。第十五實施例接下來，將描述第十五實施例的顯示方法。圖22是圖示根據(jù)本發(fā)明第十五實施例的顯示方法的流程圖。除了第十三實施例和第十四實施例的顯示方法之外第十五實施例的顯示方法包 括下列內(nèi)容。更具體地，如在圖22中所示，在第一地點，對圖像觀察者成像(步驟S310)。成像 可以基于CCD相機(jī)和CMOS傳感器等。
接下來，對所成像的圖像進(jìn)行處理以導(dǎo)出圖像觀察者的一只眼睛的位置(步驟 S320)。在該情況下，說明性地圖像處理和辨識的方法包括通過識別用作面部特征點的兩個 眼球、鼻子和嘴巴等的位置來識別圖像觀察者100的一只眼睛的位置的方法，例如，如在專 利文本2中所描述的(步驟S320)。接下來，基于所導(dǎo)出的所述一只眼睛的位置的信息對圖像觀察者上的光通量的輻 射位置進(jìn)行控制(步驟S330)。由此，自動跟隨圖像觀察者100的頭部的運(yùn)動，并且這使得 可能控制投影圖像的呈現(xiàn)位置。這使得能夠容易地實現(xiàn)投影圖像的允許具有深度感覺的穩(wěn) 定感知的顯示并且能夠?qū)崿F(xiàn)給出高真實感覺的顯示。此外，對于HUD等的應(yīng)用可以有效支 持汽車等的安全駕駛。 (第十六實施例)本發(fā)明的第十六實施例的平視顯示器(HUD)是用于汽車的平視顯示器，其使用上 述顯示設(shè)備和顯示方法。圖23是圖示根據(jù)本發(fā)明的第十六實施例的平視顯示器的構(gòu)造的示意圖。本發(fā)明的第十六實施例的平視顯示器(HUD)70帶有如上所述的從駕駛員700 (圖 像觀察者100)來看在汽車(車輛)730的儀表盤背面上的投影儀111、投影透鏡378、微透 鏡板401和凹面反射鏡163a。投影儀111生成光通量112。設(shè)定其發(fā)散角由投影透鏡378、 微透鏡板401和凹面反射鏡163a控制的輸出光通量112，將其配置為入射至駕駛員700 (圖 像觀察者100)的一只眼睛105。就是說，這是這樣的示例，其光通量投影單元750基于投影 儀111并且發(fā)散角控制機(jī)構(gòu)740基于微透鏡板401和凹面反射鏡163a。此外，將反射光通量112的反射層(半反射鏡)711提供在汽車730的前玻璃(車 窗護(hù)罩，透明板)710的部分上。就是說前玻璃710和反射層711分別實現(xiàn)了在圖9H中所圖 示的透光板166b和高反射層167的功能。反射層711用作HUD的合成器。將光通量112 (具 有由發(fā)散角控制機(jī)構(gòu)740控制的發(fā)散角)投影在反射層711上并且將投影圖像呈現(xiàn)給駕駛 員700 (圖像觀察者100)的一只眼睛。駕駛員700 (圖像觀察者100)用一只眼睛觀察虛像 762。這使得該實施例的HUD將允許具有增強(qiáng)深度感覺的感知的顯示提供給駕駛員700以 支持車輛等的安全駕駛。圖24是用于描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器的應(yīng) 用示例的示意圖。可以將上述的顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器應(yīng)用至除了汽車等車輛之外的諸 如火車、飛機(jī)、直升機(jī)和船只等的各種可移動體。已經(jīng)參照示例對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述。然而，本發(fā)明不限于上面的示例。例 如，組成顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器的各元素的特定配置包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只 要本領(lǐng)域中的技術(shù)人員還可以通過從公知范圍合適選擇來實現(xiàn)本發(fā)明并且得到類似效果。此外，只要技術(shù)可行，在每個示例中的兩個或多個元件可以組合，并且只要他們包 括本發(fā)明的特征，這些組合也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于上面作為本發(fā)明的實施例描述的顯示設(shè)備、顯示方法 和平視顯示器所發(fā)明的在設(shè)計變化范圍內(nèi)的所有顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器也屬于 本發(fā)明的范圍，只要他們包括本發(fā)明的特征。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的理念的范疇內(nèi)可以進(jìn)行各種變換和修改，并且這些變換和修改被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明提供了一種顯示設(shè)備、顯示方法和平視顯示器，其允許容易地實現(xiàn)增強(qiáng)的 深度感覺的投影圖像的感知和顯示高真實感覺，而不需要復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)造和圖像處理，并 且支持車輛等的安全駕駛。
權(quán)利要求
一種顯示設(shè)備，其生成包含圖像信息的光通量并且通過控制所述光通量的發(fā)散角使得所述光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，包括在所述顯示設(shè)備中的各光學(xué)元件中最接近 于所述一只眼睛的光學(xué)元件和所述一只眼睛之間的距離是21. 7cm或者21. 7cm以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，包括在所述顯示設(shè)備中的各光學(xué)元件 中最接近 于所述一只眼睛的光學(xué)元件和所述一只眼睛之間的距離是25. 5cm或者25. 5cm以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，包括在所述顯示設(shè)備中的各光學(xué)元件中最接近 于所述一只眼睛的光學(xué)元件和所述一只眼睛之間的距離是63. 4cm或者63. 4cm以上。
5.一種顯示設(shè)備，包括光通量生成單元，其配置用于生成包含圖像信息的光通量；視場控制單元，其配置用于使得所述光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛；以及圖像形成單元，其配置用于基于所述光通量形成圖像，所述圖像形成單元包括各構(gòu)成 光學(xué)元件中最接近于所述一只眼睛的光學(xué)元件，所述最接近于所述一只眼睛的光學(xué)元件與 所述一只眼睛相距21. 7cm或者21. 7cm以上放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述圖像形成單元的各構(gòu)成光學(xué)元件中所述最 接近于所述一只眼睛的光學(xué)元件與所述一只眼睛相距25. 5cm或者25. 5cm以上放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述圖像形成單元的各構(gòu)成光學(xué)元件中所述最 接近于所述一只眼睛的光學(xué)元件與所述一只眼睛相距63. 4cm或者63. 4cm以上放置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述視場控制單元和所述圖像形成單元包括從 下列組中選擇的至少一個，所述組包括包括透鏡和光闌的光學(xué)結(jié)構(gòu)體、微透鏡板、全息漫 射器、微透鏡陣列、漸變折射率型微透鏡、棱鏡片、百葉片和具有多個形如頂部截斷三棱錐 列陣的波導(dǎo)的光學(xué)結(jié)構(gòu)體。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述光通量生成單元包括光源，并包括用于掃描 在所述光源中生成的光通量的光學(xué)元件和調(diào)制所述光通量的光開關(guān)中的任意一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，還包括圖像拾取單元，其配置用于為所述圖像觀察者成像；圖像判斷單元，其配置用于處理由所述圖像拾取單元成像的圖像并且導(dǎo)出所述圖像觀 察者的所述一只眼睛的位置；以及控制單元，其配置用于基于關(guān)于由所述圖像判斷單元所導(dǎo)出的所述一只眼睛的位置的 信息來控制所述光通量的方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述控制單元至少控制包括在所述光通量生 成單元、所述視場控制單元和所述圖像形成單元中的各光學(xué)元件的位置和角度中的任意 個。
12.—種顯示方法，其生成包含圖像信息的光通量并且通過控制所述光通量的發(fā)散角 使得所述光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，對所述圖像觀察者成像；處理所成像的圖像并且導(dǎo)出所述圖像觀察者的所述一只眼睛的位置；以及還基于關(guān)于 所導(dǎo)出的所述一只眼睛的位置的信息控制所述光通量的方向。
14.一種顯示方法，生成包含圖像信息的光通量；以及通過將最接近于圖像觀察者的一只眼睛的光學(xué)元件與所述一只眼睛相距21. 7cm或者 21. 7cm以上來放置使得所述光通量入射至所述一只眼睛。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，通過將最接近于所述圖像觀察者的所述一只 眼睛的所述光學(xué)元件與所述一只眼睛相距25. 5cm或者25. 5cm以上來放置使得所述光通量 入射至所述一只眼睛。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，通過將最接近于所述圖像觀察者的所述一只 眼睛的所述光學(xué)元件與所述一只眼睛相距63. 4cm或者63. 4cm以上來放置使得所述光通量 入射至所述一只眼睛。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，使得所述光通量入射至所述一只眼睛的所述 顯示方法包括使用包括從下列的組中選擇的至少一個的光學(xué)系統(tǒng)來控制所述光通量的發(fā) 散角的方法，其中所述組由下列組成包括透鏡和光闌的光學(xué)結(jié)構(gòu)體、微透鏡板、全息漫射 器、微透鏡陣列、漸變折射率型微透鏡、棱鏡片、百葉片和具有多個形如頂部截斷三棱錐列 陣的波導(dǎo)的光學(xué)結(jié)構(gòu)體。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，對所述圖像觀察者成像；處理所成像的圖像并且導(dǎo)出所述圖像觀察者的所述一只眼睛的位置；以及還基于所導(dǎo)出的所述一只眼睛的位置信息控制所述光通量的方向。
19.一種平視顯示器，包括光通量投影單元，其配置用于輸出包含圖像信息的光通量，所述光通量配置為被入射 至駕駛員的一只眼睛；發(fā)散角控制機(jī)構(gòu)，其配置用于控制所述光通量的發(fā)散角；以及透明板，其帶有反射層，所述光通量以由所述發(fā)散角控制機(jī)構(gòu)控制的發(fā)散角投影在所 述反射層上。
全文摘要
一種顯示設(shè)備，其生成包含圖像信息的光通量并且通過控制該光通量的發(fā)散角使得該光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛，或者一種顯示設(shè)備，包括配置用于生成包含圖像信息的光通量的光通量生成單元；配置用于使得光通量入射至圖像觀察者的一只眼睛的視場控制單元；以及配置用于基于該光通量形成圖像的圖像形成單元，該圖像形成單元包括各構(gòu)成光學(xué)元件中與所述一只眼睛最接近的光學(xué)元件，其與所述一只眼睛間隔21.7或者21.7cm以上來放置。
文檔編號G02B27/01GK101868750SQ200880116880
公開日2010年10月20日 申請日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者佐佐木隆, 岡田直忠, 堀內(nèi)一男, 堀田相良, 奧村治彥 申請人:株式會社東芝