显示装置 技术领域 本发明涉及一种显示装置， 该显示装置使得观看者能看到利用实镜像 (real specular image) 成像光学系统在空中形成的观看对象的实像。
背景技术 提出了这样一种显示装置 ( 参见 WO2007/116639)， 其使得观看者能看到观看对象 的实像， 即利用实镜像成像光学系统在空中形成的真实镜像。
该显示装置包括在与观看者相对的空间中布置的观看对象、 以及用于在观看者所 在的空间中形成观看对象的实像的实镜像成像光学系统。 在关于实镜像成像光学系统的对 称平面 ( 元件表面 ) 与对象对称的位置形成对象的实像。
在一个实例中， 在图像显示面 ( 例如电子显示器的图像显示面 ) 前方的空间中出 现浮动图像， 或者在汽车仪表板之类的某种设备的显示装置前方的空间中 ( 即， 司机 ( 观看 者 ) 所在的空间中 ) 出现浮动图像。这被视为提出了新的图像显示方式。作为具体示例， 在一边驾驶一边透过挡风玻璃观看汽车外的情况时， 司机有时要观看仪表板来检查速度、 发动机转数、 时间等。 在例如超速的情况下， 假设在仪表板前方的原本不存在任何东西的空 间中给出提起注意的浮动指示。与在仪表板上给出显示超速的指示相比， 这更会引起司机 注意， 从而有助于防止交通事故。
本发明人已提出了一种显示装置 ( 日本专利申请 NO.2008-70415)。 根据该显示装 置， 显示部和观看对象在空间上分开， 显示部上的指示和实镜像成像光学系统形成的对象 的实像同时显示在观看者的视线中。 这意味着观看者能够在观看布置在实像后方的后壁上 的显示部的同时， 看到在显示部前方形成的对象的实像。 在该显示装置中， 观看者通常仅观 看显示部， 并且例如仅在发生某些事件时才会在显示部前方的空间中形成对象的实像。在 这种情况下， 在原本不存在任何东西的空间中会出现图像。这提供了更能吸引观看者注意 的图像观看方式。
然而， 即使将 WO2007/116639 公开的方法应用于该显示装置， 为看到实像， 实镜像 成像光学系统仍需位于实像后方。因此， 观看者的观看位置限于从实镜像成像光学系统的 元件表面倾斜 45 度的位置。这意味着在观看者观看时后壁上的显示部上的指示与实像不 能重叠。
此外， 实镜像成像光学系统仅可形成实像， 这意味着不能形成局部有立体感的生 动图像。
在 WO2007/116639 的方法中， 观看对象固定时， 生成的浮动图像的位置和尺寸固 定。因此， 除了作为浮动图像以外， 形成的图像并不生动。
发明内容 鉴于上述问题， 本发明的目的是提供这样一种显示装置， 其能够自由设定观看实 镜像成像光学系统所形成的图像的视角 ( 角度 )。
根据本发明的显示装置的特征在于包括 ： 显示部， 该显示部包括供观看者视觉识 别的第一显示区 ； 布置在第二显示区中的观看对象 ； 实镜像成像光学系统， 该实镜像成像 光学系统用于限定所述第一显示区所在的第一空间以及所述第二显示区所在的第二空间， 该实镜像成像光学系统包括具有对称平面的半透明基板， 该实镜像成像光学系统利用穿过 所述基板的光在所述第一显示区的所述第一空间中形成所述观看对象的实像 ； 以及布置在 所述第一显示区的所述第一空间中的半反射镜， 该半反射镜反射来自所述实镜像成像光学 系统的光束， 将反射的光束引向观看者， 同时允许观看者看到在所述第一显示区中形成的 图像。
在本发明中， 来自实镜像成像光学系统的光束通过布置在第一显示区的第一空间 中的第一半反射镜返回， 然后被引向观看者。因此， 自由设定观看图像的视角 ( 角度 )。此 外， 观看者可看到相互重叠的、 后壁上的显示部上的指示以及实像。
在本发明中， 根据对象、 实镜像成像光学系统以及第一半反射镜之间的位置关系， 观看者看到的浮动图像可以是由实镜像成像光学系统和第一半反射镜形成的实像， 另选的 是观看者看到的浮动图像可以是由第一半反射镜根据实镜像成像光学系统形成的实像形 成的虚像。此外， 若第一半反射镜布置成与实像 ( 即， 实镜像 ) 交叉， 则看到的生成图像为 突出第一半反射镜表面之外的图像， 该图像的一部分形成实像， 其它部分形成虚像。在这 种情况下， 形成待看到的非常生动的图像。 具体地说， 若图像位于第一半反射镜后方的空间 ( 后壁的空间 ) 中， 则观看者看到对象的作为虚像的浮动图像 ； 若图像位于第一半反射镜前 方的空间 ( 观看者的空间 ) 中， 则观看者看到对象的作为实像的浮动图像。因此， 观看者可 看到相互重叠的、 后壁上的指示以及后壁前方的任何位置处的浮动图像。 其间的位置关系随时间变化导致浮动图像的位置随时间变化。具体地说， 若对象 沿连接该对象与实镜像成像光学系统的线移动， 则可在多个位置形成图像。 因此， 待由第一 半反射镜表面形成的图像可逐渐从全虚像变为全实像， 从而使图像看起来更生动。
为使图像移动， 可应用利用电机等的操作以机械方式使附连至导轨的对象移动的 方法或手段。还可成行布置 LED 之类的紧凑光源以控制发光位置。因而， 所述显示装置包 括用于随时间改变所述对象、 所述实镜像成像光学系统以及所述第一半反射镜之间的位置 关系的装置。或者， 所述显示装置包括使对象沿连接该对象与实镜像成像光学系统的笔直 连线运动的装置。
控制对象的运动范围， 使得观看者可看到实镜像成像光学系统和第一半反射镜形 成的实像以及由第一半反射镜根据实镜像成像光学系统形成的实像形成的虚像。
在本发明中， 所述实镜像成像光学系统可允许从由对称平面 ( 基板 ) 倾斜的视点 看到对象的实像。 实镜像成像光学系统的具体实施例为具有二面角反射器阵列的实镜像成 像光学系统。所述二面角反射器阵列由均具有两个正交镜面以二维方式布置的多个二面 角反射器构成。与所有镜面正交的公共平坦表面定义为元件表面， 对象和实像关于该元件 表面相互对称。 从对象发出的各光束被各二面角反射器的两个镜面中的每一个镜面反射一 次。然后使各反射光束穿过二面角反射器阵列的元件表面。结果， 在关于二面角反射器阵 列的元件表面与对象对称的位置处形成对象的实像。
为了通过各二面角反射器使各光束适当弯折， 并允许光束穿过元件表面， 使用沿 光学孔贯通元件表面的方向限定的光学孔内壁作为二面角反射器阵列的二面角反射器的
相应镜面。 这些二面角反射器以概念方式描述， 并不需要反映由例如物理边界确定的形状。 作为实施例， 这些光学孔可不分开， 而是可相互接合。
简单来说， 二面角反射器阵列由与元件表面基本垂直并布置在元件表面上的多个 镜面构成。就结构而言要考虑的是镜面如何固定地支撑在元件表面上。作为形成镜面的示 例性具体方式， 将用于限定预定空间的基板设置成具有这样的平面， 其中将二面角反射器 阵列布置成元件表面， 然后使用各光学孔的内壁作为各二面角反射器的镜面， 光学孔被制 成贯通元件表面。基板中形成的这些孔仅需要是透明的， 以允许相应光束穿过。作为实施 例， 这些孔可以是透空的。或者， 这些孔可填充有透明气体或透明液体。各孔的形状可任意 确定， 只要这些孔均在它的作为单元式光学元件的内壁上具有一个镜面， 或者不位于同一 平面上的两个或更多个这样的镜面， 并允许由镜面反射的各光束穿过对应的孔即可。这些 孔可以相接合， 或者可由于部分缺失而具有复杂结构。 作为另一实施例， 多个不同的独立镜 面一起立在基板的表面上。在这种情况下， 应当理解， 基板中形成的孔相互接合。
此外， 二面角反射器可利用透明玻璃或树脂之类的固体物质形成为具有作为光学 孔的棱柱状或筒状形状。在各筒状构件由固体物质形成的情况下， 筒状构件可布置成相互 靠近而用作元件的支撑构件。 而且， 若二面角反射器阵列具有基板， 则筒状构件可从基板的 表面伸出。 筒状构件的形状也可任意确定， 只要筒状构件均在其内壁上具有一个镜面， 或者 允许筒状构件用作二面角反射器的、 不位于同一平面上的两个或更多个这样的镜面， 并允 许由镜面反射的各光束从其穿过即可。 尽管称为筒状构件， 但是它们可以接合， 或者可以因 部分缺失而成为复杂结构。
应当考虑光学孔的形状， 其中所有相邻内壁面是正交的， 如立方体或长方体中一 样。在这种情况下， 可最小化相邻二面角反射器之间的间隙， 从而可实现高度密集的布置。 优选的是， 防止由除二面角反射器的面向观看对象的表面之外的表面进行反射。
在其中二面角反射器具有多个内镜面的情况下， 一部分透射光发生多重反射， 即 穿过孔的光束可发生多次多重反射或超过假定反射的多重反射。 就应对这些多重反射的对 策而言， 若在光学孔的内壁上形成两个相互正交的镜面， 那么以下述方式防止这样的多重 反射。在一个方式中， 可将除这两个镜面以外的表面制成非镜面， 以防止该表面反射光束。 在另一方式中， 可使除这些镜面以外的表面从元件表面倾斜， 从而使其可不正交于元件表 面， 或者可使其弯曲。以任一方式， 可减少或防止产生反射三次或更多次的多重反射光束。 为形成非镜面， 可使用以下构造， 其中目标表面可涂覆有防发射涂层或薄膜， 另选的是可增 大目标表面的表面粗糙度以在目标表面上引起漫反射。此外， 透明平坦基板的存在并不妨 碍光学元件的功能， 因此可使用任何适当的基板作为支撑构件和 / 或保护构件。
为了提高待投射的实像的亮度水平， 期望布置在元件表面上的多个二面角反射器 尽可能相互靠近。作为实施例， 二面角反射器的晶格布置是有效的。这样布置的优点在于 使显示装置易于制造。 各二面角反射器的镜面可以是用于引起光束反射并由金属或树脂之 类的有光泽的物质制成的平坦表面， 所述物质无论是固体还是液体均可。二面角反射器的 镜面也可使得其在不同折射率的透明介质之间的平坦边界界面处反射或全反射。 在对镜面 使用全内反射的情况下， 由多个多重镜面引起的不期望多重反射很有可能会超过全内反射 的临介角， 因此希望这些不期望的多重反射会自然受到抑制。 此外， 镜面可形成在光学孔的 内壁的有限部分上， 或者可由平行布置的多个单元镜面构成， 只要各镜面无问题地执行其功能即可。 就后一方式而言， 换言之， 由单元镜面形成镜面意味着可将镜面分成多个单元镜 面。在这种情况下， 这些单元镜面并不必须位于同一平面上， 但是是平行的。此外， 这些单 元镜面可相互接触， 或者可相互隔开。
可作为实镜像成像光学系统应用于本发明的另一具体实施例是这样一种光学系 统， 该光学系统包括用于引起光束回射的回射器阵列以及用于反射光束并使光束从其穿过 的具有第二半反射镜表面的第二半反射镜。在该实镜像成像光学系统中， 第二半反射镜表 面起对称平面作用， 并且回射器阵列布置在可引起从观看对象发出并由第二半反射镜发射 或穿过第二半反射镜的光束回射的位置。 回射器阵列仅布置在由第二半反射镜限定的第二 空间中， 观看对象也位于该第二空间中。回射器阵列的位置使得由第二半反射镜反射的光 束被回射器阵列回射。其中作为回射器的操作的术语 “回射” 是这样一种现象， 其中各反射 光束被反射回其来处 ( 或反向反射 )， 从而入射光束和反射光束相互平行并沿相反方向。 对 多个回射器进行排列而构成回射器阵列。若各回射器的尺寸足够小， 则入射光束的路径和 反射光束的路径视为重叠。回射器阵列的回射器不需位于平面表面上， 而是可位于弯曲表 面上。此外， 这些回射器不需位于同一平面上， 而是可以三维方式散开。此外， 第二半反射 镜具有用于使光束从其穿过和反射光束两种功能。理想的是， 第二半反射镜的透射率和折 射率之比为 1 ∶ 1。 可利用由三个相邻镜面构成的回射器 ( 广义上称为 “角反射器” )。另选的是， 可使 用猫眼回射器作为所述回射器。 作为一个实施例， 角反射器由相互正交的三个镜面构成。 作 为另一实施例， 角反射器具有三个相邻的镜面， 由这些镜面限定的其中两个角均为 90 度， 另一角为 90/N( 其中 N 为整数 ) 度。作为再一实施例， 角反射器是具有三个镜面的锐角回 射器， 其中由三个镜面限定的角分别为 90 度、 60 度和 45 度。
若使用包括上述回射器阵列和第二半反射镜的实镜像成像光学系统， 则从观看对 象发出的一些光束被第二半反射镜表面发射。然后， 反射光被回射器阵列回射而在所有情 况下返回其来处， 然后穿过第二半反射镜表面。结果， 形成对象的图像。因此， 只要回射器 阵列位于允许接收来自第二半反射镜的反射光束， 回射器阵列的形状和位置不受限制。沿 与穿过第二半反射镜表面的光束相反的方向看到由此形成的实像。
观看对象的实施例是固定显示的指示， 例如霓虹灯广告牌， 或者固定显示在显示 面板上的指示 ( 例如， 由光源构成的应急灯和显示面板 )。 观看对象的另一实施例是显示在 诸如液晶显示器、 CRT 显示器和有机 EL 显示器之类的电子显示器的显示面上的图像。观看 对象的又一实施例是通过成行布置 LED 之类的紧凑光源并控制发光位置而给出的阵列光 源。接下来描述的显示部适当地应用在本发明的显示装置中， 作为在缩回位置布置在后壁 上的显示部。显示部的实施例包括作为诸如液晶显示器、 CRT 显示器和有机 EL 显示器之类 的电子显示器的图像显示装置的显示部， 诸如仪表板之类的机械装置之类的显示部， 等等。
根据本发明， 通过第一显示区的第一空间 ( 观看者所在的空间 ) 中的第一半反射 镜使来自实镜像成像光学系统的光束返回， 然后将光束引向观看者。 因此， 可自由设定观看 图像的视点 ( 角度 )。此外， 在观看时， 后壁上的指示和实像相互重叠。若将第一半反射镜 布置成与实像 ( 即， 实镜像 ) 交叉， 则看到生成图像突出第一半反射镜表面之外， 其一部分 形成实像， 另一部分形成虚像。在这种情况下， 形成非常生动的待观看图像。待由观看者看 到的浮动图像可以是实像、 虚像或者实像与虚像的组合， 这根据观看对象、 实镜像成像光学
系统和第一半反射镜之间的位置关系确定。 因而， 允许观看者看到相互重叠的、 后壁上的指 示以及后壁前方任意位置处的浮动图像。 附图说明
结合附图， 在以下描述中说明本发明的以上方面和其他特征， 在附图中 ： 图 1 是示出从观看者一方观看时本发明实施方式的显示装置的示意性前视图 ； 图 2 是示出从侧面观看时本实施方式的显示装置的主要部分的示意性侧剖视图 ； 图 3 是示出从观看者一方观看时本实施方式的显示装置的主要部分的示意性立体图 ； 图 4 是示出如何仅通过应用于本实施方式的二面角反射器阵列形成图像的示意 性立体图 ；
图 5A 和图 5B 是分别示出应用于本实施方式的显示装置的二面角反射器阵列的结 构的具体实施例的示意性平面图和局部剖切立体图 ；
图 6 是示出如何通过应用于本实施方式的显示装置的二面角反射器阵列形成图 像的示意性平面图 ；
图 7 是示出如何通过应用于本实施方式的显示装置的二面角反射器阵列形成图 像的示意性侧视图 ；
图 8 是示出如何通过应用于本实施方式的显示装置的半反射镜与二面角反射器 阵列的组合形成图像的示意性平面图 ；
图 9 是示出如何通过应用于本实施方式的显示装置的半反射镜与二面角反射器 阵列的组合形成图像的示意性侧视图 ；
图 10 至图 12 是示出在从侧面观看时根据本发明的相应其它实施方式的显示装置 的主要部分的示意性侧剖视图 ；
图 13 是示出光束如何通过应用于根据本发明的另一实施方式的实镜像成像光学 系统的回射器阵列和回射器回射的示意性侧剖视图 ；
图 14A 是示出应用于实镜像成像光学系统的回射器阵列的示意性局部平面图， 图 14B 是示出光束如何通过图 14A 中所示的回射器阵列中的示例性回射器回射的示意性局部 放大平面图 ； 以及
图 15A 是示出应用于实镜像成像光学系统的另一回射器阵列的示意性局部平面 图， 图 15B 是示出光束如何通过图 15A 中所示的回射器阵列的示例性回射器回射的示意性 局部放大平面图。
具体实施方式
以下参照附图描述根据本发明实施方式的显示装置。
图 1 是示出包括本发明实施方式的显示装置 1 的汽车之类的车辆的仪表板及其周 围的示意性前视图。图 2 和图 3 分别是说明显示装置 1 的操作的示意性剖视图和立体图。
通过将本发明应用于汽车之类的交通工具的司机侧的仪表板及其周围而制成显 示装置 1。具体地说， 如图 2 所示， 显示装置 1 包括距作为观看者的司机的视点 V 最远的后 壁 21、 底壁 22、 左右侧壁 23 以及与后壁 21 相连并布置成在从司机一方观看时环绕后壁 21前方的空间的上壁 24， 还包括后壁 21 上的作为仪表板 ( 仪表 ) 的一部分的显示区域 3。显 示区域 3 例如由液晶显示器形成， 在该液晶显示器上显示所谓的速度表以便给予司机有关 速度的信息。 后壁 21 上的显示区域 3 中不仅可显示图 1 所示的速度表， 还可显示各种仪表。
在当前实施方式中， 二面角反射器阵列 6 设置成用作本发明的壁部的底壁 22 上的 实镜像成像光学系统。观看对象 4( 在图 1 的实施例中为在液晶显示器上显示的字符 ) 布 置在底壁 22 内侧 ( 即， 第二显示区所在的、 底壁 22 的下表面下方的第二空间中 )。半反射 镜 8 设置在底壁 22 上方 ( 即， 在第一显示区所在的、 底壁 22 的上表面上方的第一空间中 )。 从对象 4 发出的各光束被双面角反射器阵列 6( 各双面角反射器 ) 反射两次， 并由布置在后 壁 21 前方并位于底壁 22 的上表面上方的空间中的半反射镜 8 进一步反射。于是， 在半反 射镜 8 的前方形成作为浮动图像 5 的实像。半反射镜 8 还允许从后壁 21 上的显示区域 3 发出的各光束从其穿过以将该光束引向观察者 V。 在图 1 的实施例中， 要观看的图像是当汽 车速度超过某一水平时在液晶显示器上显示的字符 “速度警告” 。相应地， 包含字符 “速度 警告” 的实像 5 作为浮动图像出现在后壁 21 上的显示区域 3 前方的空间中， 同时与显示区 域 3 上的指示重叠。半反射镜 8 可通过利用薄反射膜覆盖由例如透明树脂或玻璃制成的透 明薄板的一个表面而制成。 可对透明薄板的相反表面进行防反射处理 (AR 涂层 )， 使得要观 看的实像 5 不会变成重像。 如图 1 至图 3 所示， 本发明的显示装置 1 包括作为实镜像成像光学系统的二面角 反射器阵列 6、 以及布置在关于二面角反射器阵列 6 与观看者 V 相反的第二空间中 ( 第二 显示区所在的空间 ) 的对象 4。显示装置还包括布置在关于二面角反射器阵列 6 与观看者 V 同侧的第一空间 ( 第一显示区所在的空间 ) 中的半反射镜 8。从对象 4 发出的各光束在 被二面角反射器阵列 6 的二面角反射器反射两次之后穿过二面角反射器阵列 6， 并由半反 射镜 8 进一步反射。于是， 在观看者 V 的视线内形成作为浮动图像 5 的实像。控制半反射 镜 8 关于二面角反射器阵列 6 的角度， 使得可经过二面角反射器阵列 6 和半反射镜 8 的光 束被适当地引向观看者 V。也就是说， 对象 4、 二面角反射器阵列 6 和半反射镜 8 的布置使 得从对象 4 发出的光束首先由二面角反射器阵列 6 反射， 然后传播到半反射镜 8。
为详细说明上述关系， 首先仅描述二面角反射器阵列 6 的结构和操作。接下来描 述通过增设半反射镜 8 实现的操作。
如图 4 中示意性示出的， 二面角反射器阵列 6 由多个二面角反射器 61 构成， 这些 二面角反射器均具有两个正交的镜面 61a 和 61b。与各二面角反射器 61 的两个镜面 61a 和 61b 基本正交的平坦表面定义为元件表面 6S。对象 4 的实像 5 形成在关于元件表面 6S 与 对象 4 平面对称的位置处。在本实施方式中， 与二面角反射器阵列 6 的整体尺寸 ( 毫米量 级 ) 相比， 二面角反射器 61 相当小 ( 微米量级 )。在图 4 中， 二面角反射器 61 的集合以灰 色示出， 镜面限定的二面角由 V 形表示， 示出其内角的取向， 从而二面角反射器 61 在图中放 大示出。图 5A 是二面角反射器阵列 6 的示意平面图， 图 5B 是二面角反射器阵列 6 的一部 分的立体图。在图 5A 和图 5B 中， 与二面角反射器阵列 6 的整体相比， 二面角反射器 61 和 镜面 61a、 61b 非常夸大地示出。
对于使各光束弯折并允许光束穿过的二面角反射器阵列 6， 可使用以下光学元件， 其中在平板状基板 60 的平坦表面中形成多个物理光学孔， 使得这些孔沿厚度方向垂直穿 透基板 60， 其中各孔的内壁面中的两个正交内壁面形成为镜面 61a 和 61b， 从而使用各孔的
内壁面作为二面角反射器 61。为了使基板 60 至少具有半透明属性， 如图 5A 和图 5B 所示， 在薄的平板状基板 60 中形成多个在平面图中为大致矩形 ( 例如， 方形 ) 的物理光学孔 ( 例 如， 其一边在从 50μm 至 200μm 的范围内 )， 从而允许各光束穿过。接着， 通过对各孔的两 个正交相邻的内壁面进行平滑镜面处理而形成镜面 61a 和 61b。 结果， 提供了均具有作为反 射面的两个镜面 61a 和 61b 的二面角反射器 61。优选的是， 不对孔的不形成二面角反射器 61 的某些内壁面进行镜面处理， 使得它们不具有反射性， 或者成角度， 从而使它们不会产生 多重反射光束。 还优选的是， 二面角反射器 61 布置在规则对齐的晶格点上， 使得由镜面 61a 和 61b 限定的内角在基板 60 上都沿相同方向定位。因此， 各二面角反射器 61 的两个正交 镜面 61a 和 61b 的相交线 CL 优选与元件表面 6S 垂直。以下， 将镜面 61a 和 61b 限定的内 角的方向称为二面角反射器 61 的取向 ( 方向 )。
镜面 61a 和 61b 如下示意形成。 首先， 制备金属模具。 然后， 对内壁面进行处理， 使 得该内壁面用作镜面 61a 和 61b， 所述处理例如是纳米级切削处理、 作为利用模具进行的纳 米级压制处理的纳米压印处理、 或者电成型。对这样形成的镜面 61a 和 61b 进行处理， 使得 其表面粗糙度等于或小于 10nm， 并使得它们一致地在可见光谱范围内起镜面作用。当基板 60 利用铝或镍之类的金属通过电成型形成时， 若模具的表面粗糙度足够小， 则镜面 61a 和 61b 为自然镜面。当利用纳米压印处理施加树脂等作为基板 60 的材料时， 应当通过喷镀之 类的处理进行镜面涂覆， 以形成镜面 61a 和 61b。通过将二面角反射器 61 中的相邻二面角 反射器之间的空间控制至其最小可行水平而增强透光度。 优选的是， 对二面角反射器阵列 6 的上表面 ( 从观看者一方看到的表面 ) 进行诸如利用低反射性材料进行涂覆之类的处理。 二面角反射器阵列 6 的结构不限于以上所述。可适当地采用二面角反射器阵列 6 的结构以 及形成该结构的方法， 只要多个二面角反射器 61 均由两个正交的镜面 61a 和 61b 形成， 并 且二面角反射器 61 均用作允许各光束穿过的光学孔即可。
在构成二面角反射器阵列 6 的各二面角反射器 61 中， 经由后侧进入对应孔的光束 被一个镜面 61a( 或 61b) 反射。反射的光束被另一镜面 61b( 或 61a) 进一步反射， 然后经 由前侧穿过二面角反射器 61。各光束进入二面角反射器 61 所沿的路径以及光束离开二面 角反射器 61 所沿的路径关于元件表面 6S 相互平面对称。具体地说， 假设元件表面 6S 为经 过各镜面高度的中部的表面并正交于各镜面的表面， 则元件表面 6S 为这样的对称平面， 其 中对象 4 的形成为浮动图像的实像， 即实镜像 5 所在的位置关于该平面与对象 4 平面对称。
接下来与从作为观看对象的点光源 o 发出的各光束的路径一起简单描述如何通 过二面角反射器阵列 6 形成图像。
如图 6 的平面图和图 7 的侧视图示意示出的， 在穿过二面角反射器阵列 6 时， 从点 光源 o 发出的光束 ( 由带箭头的单点划线表示， 该线在图 6 中以三维方式观看时在图上从 后向前传播 ) 均被各二面角反射器 61 的一个镜面 61a( 或 61b) 反射一次， 并由另一个镜面 61b( 或 61a) 进一步反射。接下来， 反射的光束穿过元件表面 6S( 图 7、 图 4 和图 5B)， 然后 散射经过关于二面角反射器阵列 6 的元件表面 6S 与点光源 o 平面对称的点。入射光束和 反射光束在图 6 中平行示出。其原因如下。在图 6 中， 二面角反射器 61 与点光源 o 相比夸 大示出。然而， 二面角反射器 61 的真实尺寸相当小。因此， 在从上方观看二面角反射器阵 列 6 时， 入射光束和反射光束近似相互重叠。( 在图 6 中， 示出了首先落在各二面角反射器 61 的两个镜面 61a、 61b 上的光束的路径， 即两个路径。在图 7 中， 为避免混乱， 仅示出了首先落在任一镜面上的一个光束。) 总之， 光束会聚到关于元件表面 6S 与点光源 o 平面对称 的位置， 从而在图 6 和图 7 所示的位置 p 形成实像。
图 7 示出从观看对象发出的光束穿过二面角反射器阵列 6 传播， 到达关于元件表 面 6S 与对象平面对称的位置 p 的空间从而在该空间形成实镜像所沿的光路。在图 7 中通 过双点划线示出的两条光路为经过二面角反射器阵列 6 的相对边缘面 ( 在从观看者 V 一方 观看时为前边缘面和后边缘面 ) 的光路。由于二面角反射器阵列 6 应当位于在位置 p 处形 成的实像后方， 观看者可在由这两条双点划线限定的角度范围 ( 角 θ) 内看到实像。相反， 在该范围外不能看到实像。
分别对应于图 6 和图 7 的图 8 和图 9 说明通过在第一显示区所在的第一空间增设 半反射镜 8 所实现的操作。尽管在图 6 中示出了首先落于各二面角反射器 61 的两个镜面 61a、 61b 上的光束的路径 ( 即， 示出了两条路径 )， 但是在图 8 中为避免混乱仅示出了首先 落在任一镜面上的光束。基本原理如下。从点光源 o 发出的各光束在二面角反射器 61 处 被反射两次后首先穿过其中一个二面角反射器 61。然后， 由布置在朝观看者 V 传播的光束 的路径上的平面半反射镜 8 使反射的光束返回。结果， 在位置 p 处形成实像。具体地说， 在 从二面角反射器阵列 6 一侧观看半反射镜 8 时， 图 6 和图 7 中所示的位置 p 处的实像与图 8 和图 9 中所示的位置 p 处的实像之间的关系与对象 ( 与图 8 和图 9 中所示的位置 p 处的 实像相对应 ) 和虚像 ( 在图 8 和图 9 中所示的位置 o’ 处形成， 并与图 6 和图 7 中所示的位 置 p 处的实像相对应 ) 之间的关系相同。改变半反射镜 8 的位置和角度 ( 与二面角反射器 阵列 6 限定的角度 ) 可改变观看方向。 图 1 和图 2 均示出了通过增设当前实施方式的半反射镜 8 而限定的二面角反射器 阵列 6、 半反射镜 8 和对象 4 之间的关系。如从实施方式的以上描述所理解的， 实像 5 形成 为在后壁 21 上的显示区域 3 的前方并沿半反射镜 8 和观看者 V 的视线的空中浮动图像。
在至此所述的实施方式中， 在半反射镜 8 和观看者 V 之间的空间中形成实像。图 10 示出了另一实施方式， 其中在二面角反射器阵列 6 与半反射镜 8 之间的空间中形成实像。 在这种情况下， 观看者 V 看到作为由半反射镜 8 形成的虚像的实像 5。
如图 10 所示， 从对象 4 发出的各光束在被二面角反射器阵列 6 反射两次之后穿过 二面角反射器阵列 6。接着， 对象 4 的实像在关于二面角反射器阵列 6 与对象 4 对称的位置 处形成为浮动的实像， 即实镜像 5。观看者 V 看到由半反射镜 8 从镜像 5 反射的生成虚像 5’ 。也就是说， 观看者 V 看到在半反射镜 8 后方 ( 在半反射镜表面后方的空间中 ) 形成的 浮动图像 5’ ， 其为镜像 5 的虚像。
图 11 示出在半反射镜的位置处形成镜像的再一实施方式。
观看对象具有有限尺寸。 因此， 若在半反射镜 8 的镜面上形成镜像 5， 则如图 11 所 示观看者会看到镜像 5 和由半反射镜 8 形成的虚像 5’ 。
从对象 4 发出的各光束在被二面角反射器阵列 6 反射两次之后穿过二面角反射器 阵列 6。接着， 对象 4 的实像在关于二面角反射器阵列 6 与对象 4 对称的位置处形成为浮动 图像， 即镜像。在当前实施方式中， 半反射镜 8 布置在浮动图像的中心附近。因此， 观看者 V 看到对象的远离二面角反射器阵列 6 的部分作为实像 5， 同时看到对象的靠近二面角反射 器阵列 6 的部分作为虚像 5’ 。也就是说， 若半反射镜 8 布置成与对象的实像 5 交叉， 则观看 者 V 看到在半反射镜 8 的镜面中突出的空间图像。
如上所述， 通过以各种方式改变对象 4、 二面角反射器阵列 6 和半反射镜 8 的布置， 在半反射镜 8 的镜面的前方或后方， 或者在半反射镜 8 的镜面上形成提供给观看者 V 的空 间图像 ( 作为在镜面中突出的图像 )。
为了积极利用该特征， 可随时间改变它们之间的位置关系。图 12 示出了又一实施 方式， 其中利用诸如导轨、 电机和齿轮齿条或蜗杆螺母引导机构的组合之类的引导输送机 构 RP 使观看对象沿连接对象与实镜像成像光学系统的线以机械方式运动。
如图 12 所示， 观看对象 4 附连至沿与光轴 AX 平行的导轨 G 滑动行进的滑动部件， 使得对象的空间图像可沿观看者 V 的视线 ( 沿光轴 AX) 移动。对象 4 可通过电机 M 和引导 输送机构 RP 线性运动。作为实施例， 在观看对象 4b 远离二面角反射器阵列 6 时， 在半反射 镜 8 和观看者 V 之间的空间中形成实像。在这种情况下， 观看者 V 看到这样形成的实像 5。 当对象 4 靠近二面角反射器阵列 6 时， 在半反射镜 8 与二面角反射器阵列 6 之间的空间中 形成实像。在这种情况下， 观看者 V 看到在半反射镜 8 中形成的虚像 5’ 。因而， 若使用用于 使观看对象、 二面角反射器阵列 6 和半反射镜 8 之间的位置关系随时间变化的装置， 则观看 者 V 能看到在半反射镜 8 的镜面前方的空间和半反射镜 8 的镜面后方的空间之间连续移动 的空间图像。 若成行地布置 LED 之类的多个紧凑光源 ( 未示出 ) 作为观看对象， 并依次打开以 控制光源， 则观看者可在不需要观看对象自身实际运动的情况下看到空间图像的类似运 动。
图 13 示意性示出了应用本发明的显示装置的又一实施方式。显示装置 1’ 与上述 实施方式的显示装置 1 的不同之处仅在于实镜像成像光学系统。因此， 显示装置 1’ 的与显 示装置 1 相同的结构元件以相同名称描述， 并采用相同附图标记。
使第二半反射镜 91 和回射器阵列 92 相结合而形成适于当前实施方式的实镜像成 像光学系统 9。该半反射镜的表面具有起对称平面作用的元件表面 6S。观看对象 4 布置在 关于第二半反射镜 91 与观看者 V 相对的空间中 ( 第二显示区所在的空间 )。回射器阵列 92 也与观看者 V 相对地布置在该空间中。半反射镜 8 布置在观看者 V 所在的空间中 ( 第一 显示区所在的空间中 )。从对象 4 发出的各光束由第二半反射镜 91 反射， 然后引向回射器 阵列 92。回射器阵列 92 用于使来自第二半反射镜 91 的各光束回射。因此， 引导至回射器 阵列 92 的光束返回半反射镜 91。在经过第二半反射镜 91 之后， 光束传播至布置在观看者 V 所在的空间中的半反射镜 8。接下来， 通过半反射镜 8 使光束返回， 使得在观看者 V 的视 线内的空间中形成实像 5。适当设定半反射镜 8 的角度， 使得来自第二半反射镜 91 的各光 束可被引向观看者 V。
同样可通过利用薄反射膜涂覆例如由透明树脂或玻璃制成的透明薄板的一个表 面而制成第二半反射镜 91。对透明薄板的相反表面进行防反射处理 ( 即， AR 涂覆 )， 从而 防止要看到的实像 5 变成重像。此外， 可在半反射镜 91 的上表面上附连用作可见性控制膜 或视角控制膜之类的光学薄膜 ( 未示出 ) 作为视线控制装置， 其中可见性控制膜仅散射沿 某些方向的光束， 视角控制膜可仅切断沿某些方向的光束， 但是二者都允许沿其它特定方 向的光传播。具体地说， 这样的光学薄膜防止光束在直接穿过第二半反射镜 91 之后到达除 观看者 V 的视点以外的位置， 使得在半反射镜 8 中反射的观看对象的图像不能通过第二半 反射镜 91 在除观看者 V 的视点之外的任何位置直接看到。然而， 光学薄膜同样仅允许在被
第二半反射镜 91 一次反射并通过回射器阵列 92 回射之后沿从回射器阵列 92 穿过第二半 反射镜 91 的方向传播的光束透过， 使得从观看者 V 的视点可仅看到实像 5。
然而， 回射器阵列 92 可以为任意类型， 只要其严格使入射光束回射即可。可通过 向材料表面施加回射性材料或回射性涂层而形成回射器阵列 92。 此外， 回射器阵列 92 可具 有弯曲表面或平坦表面。图 14A 是以放大方式示出回射器阵列 92 的一部分的前视图。图 14A 中所示的回射器阵列 92 为角立方体阵列， 其作为均利用立方体的其中一个内角的角立 方体的集合。回射器 92A 为由规则的一组角立方体构成的角立方体阵列， 获得的各角立方 体作为立方体的一个内角。 通过使在公共点处接合的形状和尺寸相同的等腰直角三角形的 三个镜面 92Aa、 92Ab 和 92Ac 聚集而形成各回射器 92A， 回射器 92A 在从前方观看时为等边 三角形 ； 这三个镜面 92Aa、 92Ab 和 92Ac 相互正交而形成一个公共角立方体 ( 图 14B)。
图 15A 也是以放大方式示出回射器阵列 92 的一部分的前视图。图 15A 中所示的 回射器阵列 92 也是作为角立方体的规则集合的角立方体阵列， 所述角立方体均利用立方 体的其中一个内角。回射器 92B 在从前方观看时均具有由在公共点处接合的形状和尺寸相 同的三个方形镜面 92Ba、 92Bb 和 92Bc 聚集而形成的正六边形形状。 这三个镜面 92Ba、 92Bb 和 92Bc 相互正交 ( 图 15B)。 尽管在图 14A 和图 15A 中所示的回射器阵列 92 的形状不同， 但是其回射原理相 同。图 14B 和图 15B 分别说明了图 14A 和图 15A 中所示的回射器阵列 92 的回射原理。进 入回射器 92A 或 92B 的其中一个镜面 ( 例如， 92Aa 或 92Ba) 的光束被不同的镜面 (92Ab 或 92Bb) 和其他镜面 (92Ac 或 92Bc) 依次反射。因此， 光束被反射回其进入回射器 92A 或 92B 所在的位置。进入回射器阵列 92 的光束的路径与离开回射器阵列 92 的光束的路径并不重 叠， 而是在严格意义上相互平行。若回射器 92A 或 92B 与回射器阵列 92 相比足够小， 则入 射光束的路径和出射光束的路径可视为相互重叠。 这两种角立方体阵列在以下方向彼此不 同。 镜面成等腰三角形形式的角立方体阵列相对易于制造， 但是反射率稍低， 而镜面成方形 形式的角立方体阵列相对难以制造， 但是反射率高。
可使用上述角立方体阵列的另选方式作为回射器阵列 92， 只要该另选方式 ( 广义 上称为 “角反射器” ) 利用三个镜面使光束回射即可。虽然这里未示出， 例如， 在实施方式中 应用的示例性单元式回射器具有三个镜面， 其中两个相互正交， 另一个相对于其它两个成 90/N(N 为整数 ) 度角。单元式回射器的另一实施例为具有三个镜面的锐角回射器， 其中镜 面中的相邻镜面之间限定的角为 90 度、 60 度和 45 度。还可应用猫眼回射器作为单元式回 射器。这些回射器阵列可以是平面的、 弯曲的或者翘曲的。可适当确定回射器阵列的位置， 只要从观看对象发出并被第二半反射镜 91 反射的光束被回射器阵列回射即可。
在具有第二半反射镜 91 和回射器阵列 92 的显示装置 1’ 中， 与具有二面角反射器 阵列的显示装置 1 中类似， 作为在沿向半反射镜 91 的镜面倾斜的方向的观看者视线内的空 间中浮动的图像看到实像 5。显示装置 1’ 还可通过改变待形成的图像的显示位置或者通过 改变要看到的图像的尺寸而对实像 5 进行变化。
在不背离本发明目的的情况下可对显示装置的各构成部分的具体结构进行适当 改变。 作为实施例， 将本发明应用于显示装置， 用于在显示装置的显示部前方的空间中形成 浮动图像。
本发明可应用为用于广告目的的显示装置， 并可应用为在车辆中使用的信息显示
装置。 应理解， 以上描述和附图阐述了本发明的当前优先实施方式。在不背离所公开的 发明的精神和范围的情况下， 本领域技术人员根据以上教导当然会清楚各种修改、 增添和 另选设计。 因而， 应理解本发明不限于所公开的实施方式， 而是可在所附权利要求的整个范 围内实施。
本申请基于 2009 年 9 月 28 日提交的在先日本专利申请 No.2009-222341 并要求 其优先权， 将该专利申请的全部内容结合于此作为参考。