CN101153958A - 新型眼镜式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型眼镜式显示器，由微显示器芯片、光学棱镜、显示器控制电路等组成，使用两片相同的微显示器芯片，配合两个光学棱镜，构成以供双目并用的眼镜式显示器，微显示器芯片与光学棱镜分别构成左眼和右眼的显示器，左眼和右眼显示器的空间位置是对称的，左眼和右眼显示器的中心距为63～65mm，两个显示器的图像面的法线的反向延长线相交于约两米处。光学棱镜有三个面，一个平面，一个球面，另一个为自由曲面。本发明的光学棱镜的三个面，只有一个非标准光学曲面，使设计、调整和制造方法简单可行。本发明采用AV接口和兼容VESA标准的VGA接口，可以联接到任何具有AV接口和VGA接口的视频设备。本发明还具有调焦功能，可供近视的人使用。

Description

新型眼镜式显示器

技术领域

本发明主要涉及显示器，特别是具体涉及一种眼镜式显示器。

背景技术

好的眼镜式显示器，具有小、薄、轻的几何外型、锐利的图像、宽的视域、大的瞳孔和虚拟的具有景深的图像。

OLYMPUS公司的eye-Treck产品采用TFT微显示器芯片，但由于TFT微显示器芯片通过背光使器件产生透射光，它的视场只有20度，所以美国柯达公司的专利US.6,522,474(Cobb；Joshua M.et al，)认为，由于视域小，OLYMPUS公司的eye-Treck产品不适宜作立体3D图像显示，并且提出了一种使用球形光的大视域方案。不过这种方案要求较大的空间，只能在头盔式显示器中使用。

为此，US.6,034,717(Dentinger et al.)和US.4,021,846(Roese)提供了一种双眼电子快门方法来获得立体视觉帧，然而，双眼电子快门方法除了光学系统复杂、需要附加滤镜以外，获得立体视觉的软件处理方法也比较复杂，例如，双眼电子快门方法需要分别控制两个微显示器，两个微显示器使用不同的数据流，这就大大地增加了成本。

光学棱镜是眼睛式显示器的关键，通常由三个曲面参数各不相同的非圆曲面构成，采用非圆曲面棱镜的美国专利有：US.5,818,641(Takahashi)；US.6,028,708(Takahashi)；US.6,097,354(Takahashiet al，)；US.5,436,765(Togino)；US.5,959,780(Togino et al，)；OLYMPUS公司的US.6,317,267(Takahashi；Koichi)以及采用非球面镜的头戴微显示器HMD专利US.5,596,433(Konuma)，还有夜视镜视频引擎专利US.6,565,029B1。在这些专利当中都公开了不同的非圆曲面棱镜的曲面参数。其中OLYMPUS公司已有采用该技术的eye-Treck HMD产品上市，eye-Treck HMD宣称其视域为水平小于40度，垂直小于22度。但以上产品、专利中都没在涉及焦距调整。一般来说在采用非圆曲面棱镜的紧凑的头戴微显示器HMD中增加焦距调整机构既存在影响光学效果的风险又会增加头戴微显示器的尺寸和体积。

采用非常复杂的光学系统的美国专利US.4,563,061，涉及到调焦机构，然而这种技术不能在眼镜式显示器上使用，因为几十片光学镜片太复杂和笨重了。

全世界有60％的人需要佩带眼镜才能观看事物，要求这些人同时戴两付眼镜才能来观看，这是很不现实的。因此，眼镜的调焦机构，关系到60％以上的用户的使用舒适性，应该说这是必需满足的个性化要求。

另外，上述采用非圆曲面棱镜的专利都强调了三个非圆曲面的参数。有的专利还采用了三个自由曲面来补偿图像失真。非圆曲面的设计和制造有一定难度，当涉及空间的三个非圆曲面的设计和制造这就更难，而三个自由曲面就会更加困难了。

本发明目的是基于本发明人公开的眼镜式显示器专利申请，并进行了改进发明，使棱镜的三个面型及其空间位置的关系获得解耦。

本发明的另一目的在于提供一种设计加工更简单的眼镜式显示器，产生更大屏幕的视觉效果和更小的图像畸变。

本发明的再一目的在于提供一种眼镜式显示器，具有切实可行的调焦功能，供近视的人使用。

发明内容

为达到上述目的本发明采用了如下技术方案：本发明的眼镜式显示器组件，使用两片相同的微显示器芯片，配合两个光学棱镜，构成眼镜式显示器以供双目并用，所述微显示器芯片与光学棱镜分别构成左眼和右眼的显示器，左眼和右眼显示器的空间位置是对称的，左眼和右眼显示器的中心距为63～65mm，两个显示器的图像面的法线的反向延长线相交于约两米处，并构成眼镜式显示器组件。

本发明所述的光学棱镜的三个面中的第一个面为传送面，它面对着微显示器发光器件，微显示器发出的图像光线通过该面导入光学棱镜；所述的光学棱镜的三个面中的第二个曲面为反射传送面，它反射导入光学棱镜的光线，形成棱镜的第一次反射，第一次反射的反射光线射向与之相对的第三个曲面，即反射面，形成光学棱镜的第二次反射；所述的反射面是一个镜面，它将来自第二曲面，即反射传送面的光线又反射到第二曲面并通过第二曲面传递给用户的视网膜；

本发明所述的光学棱镜的第一曲面是纯平面，所述的第二曲面是球面，其中第三曲面是从球面经畸变校正后形成的自由曲面。所述的光学棱镜的其中第三曲面是从球面经畸变校正后形成的自由曲面的畸变校正表达式为：

$Z=\frac{R_3{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){R_3}^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}$

本发明所述微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面，两个面之间的倾角在28度到36度之间。所述的微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面，两个面之间的倾角可选择为32度。

本发明所述的微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面之间倾角固定的条件下，插入一块凸透镜，凸透镜与微显示器的发光表面平行，平移改变凸透镜到微显示器的发光表面的距离，相当于图像的成像焦距的调整，从而实现近视度的调整。所述的微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面之间的设计距离是2-3毫米。

本发明所述的光学棱镜的材料的折射率Nd大于1小于1.6。所述的光学棱镜材料的折射率Nd＝1.2。

本发明所述的光学棱镜的第二个曲面的曲率半径R2比第三曲面的曲率半径R3要大，R2的曲率半径为140～180mm，R3的曲率半径为60～80mm，调整R3/R2的比值，可调图像的放大率，产生更大屏幕的视觉效果。所述的光学棱镜的第二个曲面与第三曲面相交后，该点的两切线夾角为24°～45°，调整该夾角可以调整棱镜厚度和物景大小。

本发明还包括两个微显示器芯片、VGA/AV接口、RGB时序控制、3D控制、焦距调整、图像控制声音控制等全部电路。所述的控制电路板由微处理器和图像控制电路以及VGA接口组成，微处理器和图像控制电路为微显示器芯片提供各种需要的帧同步、行同步、像素有效、亮度控制、中断信号、使能信号、色饱和控制以及扫描方式、图像位置、3D立体帧选通信号等逻辑控制信号。

本发明利用第三曲面进行的畸变校正是在人眼目视情况下通过磨去法进行的，比本发明人在20031011196.4眼镜式显示器专利申请中公开的方法更简单更易于操作。由于，本发明的光学棱镜的三个面，只有一个非标准光学曲面，使本发明比前述任何一种方法更简单，更容易获得高质量的最终产品。又由于，第二曲面和第三曲面的曲率半径和反射角可以唯一确定棱镜光学系统的放大率和畸变等主要光学指标而与第一面无关，从而使棱镜的三个面型及其空间位置的关系获得解耦。从本质上讲，本发明涉及的光学棱镜是曲面三棱镜，但它的设计和制造被简化到仅仅涉及两个光学表面，而且两个光学表面中一个是标准球面，另一个是由标准球面校正畸变后得到的自由曲面。

本发明采用AV接口和兼容VESA标准的VGA接口，可以联接到任何具有AV接口和VGA接口的视频设备。

附图说明

图1是本发明眼镜式显示器的内部结构示意图；

图2是本发明眼镜式显示器的电路框图；

图3是本发明眼镜式显示器棱镜的光线走向示意图；

图4是本发明眼镜式显示器的焦距调整示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对发明做详细说明：其中图1至图4展示出了本发明一个优选实施例中的眼镜式显示器模组。

如图1、图2所示，本发明眼镜式显示器模组是由微显示器芯片1、光学棱镜2、焦距调整机构3、显示器控制电路4组成。由于本发明棱镜2的曲面22的曲率半径R2比曲面23的曲率半径R3要大，R2的曲率半径为140～180mm，R3的曲率半径为60～80mm。两曲面相交后，该点的两切线夾角为24°～45°，调整该夾角可以调整棱镜厚度和物景大小。调整R3/R2的比值，粗调图像的放大率，产生更大屏幕的视觉效果。一个最明显的视觉效果反映在当用户闭一只眼看眼镜中的一个屏幕并感屏幕效果，当用户突然睁开双眼，会立即感到眼前的屏幕尺寸比单眼看到的屏幕图像增大了三分之一左右。这是本发明利用双眼单视原理的明显效果，同样利用双眼单视原理可以产生立体视觉效果。

本发明使用两片相同的微显示器芯片1，两个完全相同的光学棱镜2，构成眼镜式显示器以供双目并用。由于微显示器芯片1的响应时间快，其帧刷新率很高。每个象素存在电容性存贮时间并可以通过一个低刷新率帧信号来精确的控制，这个低刷新率的帧信号叫立体视觉帧。基于插入立体视觉帧的方法，利用双眼单视原理来产生立体视觉效果。

在本发明中，两个微显示器1使用完全相同的数据流，在每个显示器上增一个信号选通线，去支持来自图像播放器或个人电脑的VGA信号。用户可以在个人电脑上使用Nvidia GeForce系列图像适配器来观看3D图像(详见WWW.nvidia.com网站，并下载支持软件)。当非3D显示时，该信号选通线悬空或接地均可。本发明将该信号选通线分配到标准的VESA硬件接口的任何一个空脚上，这就在物理上兼容了VESA硬件接口标准(VESA硬件接口标准可以在www.vesa.com网站上找到)。

图2示出了本发明眼镜式显示器的电路框图，其中包括微显示器芯片、VGA/AV接口、VGA/AV的RGB时序控制、3D控制、图像控制声音控制等全部电路。微显示器芯片电路内部有行列寄存器和行列驱动器用于驱动RGB点阵列。微显示器芯片内部集成了RGB贮存器、RGB时序控制电路和控制逻辑电路。控制电路板由微处理器和图像控制电路以及VGA/AV接口组成。微处理器和图像控制电路为微显示器芯片提供各种需要的逻辑控制信号，例如，帧同步、行同步、像素有效、亮度控制、中断信号、使能信号、色饱和控制以及扫描方式、图像位置、3D立体帧选通信号等等。控制电路还包括一个电源管理电路，为整机提供各种规格的电源并对其进行管理以便减小功耗。

图4示出了由微显示器1发出的主光线从导入光学棱镜2，两次反射并进入人眼视网膜的过程。光学棱镜2具有三个面，其中，第一个面21为传送面，是平面。它面对着微显示器发光器件1，微显示器1发出的图像光线通过该面21导入光学棱镜2；由于棱镜的折射率Nd大于1，所以光学棱镜2的三个面中的第二个面22为反射传送面，它反射导入光学棱镜2的光线，形成棱镜2的第一次反射，第一次反射的反射光线射向与之相对的第三个曲面23，即反射面，形成光学棱镜2的第二次反射；反射面23是一个镀膜的镜面，它将来自第二曲面22，即反射传送面的光线又反射到第二曲面22并通过第二曲面22传递给人眼的视网膜。微显示器1的发光表面与光学棱镜2的传送面21之间的倾角在28度到36度之间，例如可选取32度。微显示器1的发光表面与光学棱镜2的传送面21之间的设计距离是2-3毫米。光学棱镜2的材料的折射率Nd大于1小于1.6，例如可选取Nd＝1.25。

第二曲面22和第三曲面23是球面，它们的曲率半径不同，圆心位置不同。经两次反射的光线在用户的视网膜形成的是一个虚拟的图像，它产生了景深，虚拟的图像的尺寸与视域大小有关系，视域的大小与第二曲面和第三曲面的曲率半径有关，也与微显示器发光器件的视场角有关。由于本发明的第二曲面和第三曲面是球面，因此，可以采用传统的方法进行光学设计，甚至可以采用熟知的折射定理，用作图的方法来设计。其显著的特征是，上述设计与棱镜的第一面无关。因此设计和制造简单可行。

为了保证图像质量，保证每一条来自发光源的光线到达视网膜的路径长度一致，这就是作图的原则，也即作图设计的方法。为了进一步提高成像质量，本发明的第三曲面23采用自由曲面。这个曲面23的加工是在人眼目视情况下通过磨去法进行的。当通过磨去法获得目视的理想棱镜后，再进行模具加工和塑料棱镜复制。由于非圆曲面棱镜的设计，模具加工非常复杂和成本很高，又由于光学系统的非线性问题，设计和模具加工有失败风险。然而本发明方法仅仅涉及一个曲面的设计和加工，虽然一个自由曲面的设计方法比较原始，它像人们早期磨制一个镜片一样原始，但是，设计过程中获得了一个真实样品，后续的模具加工将不存在风险，这种方法效率很高，成功率很高、成本也很低、实际效果令人满意。

本发明的眼镜式显示器，光学棱镜的其中第三曲面是从球面经畸变校正后形成的自由曲面。畸变校正表达式为：

R3＝R₃+Z，式中，

$Z=\frac{y^2/R_3}{1+\sqrt{1-(1+k)y^2/{R_3}^2}}+a_1{y}^1+a_2{y}^2+a_3{y}^3+a_4{y}^4+a_5{y}^5+a_6{y}^6+a_7{y}^7+a_8{y}^8$

式中，R₃＝64mm，k＝9.995481e-3，a₁＝a₂＝a₃＝0，a₄＝2.789903e-3......。

图4示出了本发明的焦距调整示意图，如图所示，微显示器相对棱镜的位置是不变的，由于每个微显示器相对其棱镜的位置不变。双眼使用的两个微显示器之间的相对位置的精度要求很高，水平精度为一个图像像素，垂直精度为二个图像像素。图4中a是正常焦距位置，供正觉视力的人使用。通过平移凸透镜，例如平移2mm，到图4中b位置，可供300度近视的人使用。当平移距离达到3mm时可校正近视至400度。很明显，平移凸透镜时，并不改变微显示器相对棱镜的位置，也不改变两个微显示器之间的相对位置，达到焦距调整的目的。

由于本发明采用兼容VESA标准的VGA接口5，也可兼容AV接口，所以他可以联接到任何具有VGA接口或AV接口的视频设备，例如：个人电脑、笔记本电脑、穿戴式DVD、移动DVD或台式DVD、机顶盒等。

本发明的眼镜式显示器的主要技术指标如下：

最高分辨率QVGA、VGA、SVGA、XVGA甚至更高点阵的微显示器；RGB 8位即24位真彩色；

光学虚拟成像相当于景深2米处47～120英时屏幕视觉效果；兼容VESA标准的VGA接口；

AV或SVIDO

支持QVGA、VGA、SVGA、甚至更高点阵的微显示器；

支持立体视觉帧方式的3D数据流；

视域：水平不小于56度，垂直不小于25度。

Claims (14)

1.一种新型眼镜式显示器，使用两片相同的微显示器芯片，配合两个光学棱镜，构成以供双目并用的眼镜式显示器，其特征在于所述微显示器芯片与光学棱镜分别构成左眼和右眼的显示器，左眼和右眼显示器的空间位置是对称的，左眼和右眼显示器的中心距为63～65mm，两个显示器的图像面的法线的反向延长线相交于约两米处。

2.根据权利要求1所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜的三个面中的第一个面为传送面，它面对着微显示器发光器件，微显示器发出的图像光线通过该面导入光学棱镜；所述的光学棱镜的三个面中的第二个曲面为反射传送面，它反射导入光学棱镜的光线，形成棱镜的第一次反射，第一次反射的反射光线射向与之相对的第三个曲面，即反射面，形成光学棱镜的第二次反射；所述的反射面是一个镜面，它将来自第二曲面，即反射传送面的光线又反射到第二曲面并通过第二曲面传递给用户的视网膜；

3.根据权利要求2所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜的第一曲面是纯平面，所述的第二曲面是球面，其中第三曲面是从球面经畸变校正后形成的自由曲面。

4.根据权利要求3所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜的其中第三曲面是从球面经畸变校正后形成的自由曲面的畸变校正表达式为：

$Z=\frac{R_3{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){R_3}^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}$

5.根据权利要求2所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面，两个面之间的倾角在28度到36度之间。

6.根据权利要求5所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面，两个面之间的倾角为32度。

7.根据权利要求6所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面之间倾角固定的条件下，插入一块凸透镜，凸透镜与微显示器的发光表面平行，平移改变凸透镜到微显示器的发光表面的距离，相当于图像的成像焦距的调整，从而实现近视度的调整。

8.根据权利要求7所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的微显示器的发光表面与光学棱镜的传送面之间的设计距离是2-3毫米。

9.根据权利要求8所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜的材料的折射率Nd大于1小于1.6。

10.根据权利要求9所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜材料的折射率Nd＝1.25。

11.根据权利要求2所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜的第二个曲面的曲率半径R2比第三曲面的曲率半径R3要大，R2的曲率半径为140～180mm，R3的曲率半径为60～80mm，调整R3/R2的比值，可调图像的放大率，产生更大屏幕的视觉效果。

12.根据权利要求11所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的光学棱镜的第二个曲面与第三曲面相交后，该点的两切线夾角为24°～45°，调整该夾角可以调整棱镜厚度和物景大小。

13.根据权利要求1所述的新型眼镜式显示器，其特征在于包括两个微显示器芯片、VGA/AV接口、RGB时序控制、3D控制、焦距调整、图像控制声音控制等全部电路。

14.根据权利要求13所述的新型眼镜式显示器，其特征在于所述的控制电路板由微处理器和图像控制电路以及VGA接口组成，微处理器和图像控制电路为微显示器芯片提供各种需要的帧同步、行同步、像素有效、亮度控制、中断信号、使能信号、色饱和控制以及扫描方式、图像位置、3D立体帧选通信号等逻辑控制信号。

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