CN103475885B

CN103475885B - 基于lcos的眼镜型透视融合显示系统

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Publication number: CN103475885B
Application number: CN201310357802.3A
Authority: CN
Inventors: 杜辉; 杜一鸣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: CN103475885A

Abstract

本发明公开了一种基于LCOS的眼镜型透视融合显示系统，其中：由显示控制器、LCOS显示芯片、液晶盒和光学系统构成，向显示控制器输入视频信号，显示控制器输出数字视频信号、数字驱动信号和时钟信号至LCOS显示芯片，LCOS显示芯片驱动像素控制液晶盒输出光学图像，由光学系统投影到人眼视网膜，在人眼前方虚拟成像。其结构紧凑，在眼前呈现放大的虚像，虚像亮度高，色彩丰富，清晰度高，不仅能够接收普通电视节目、自动播放Ｕ盘中高清影像、演示PPT文档，具备上网，浏览网页，通过虚拟化方式共享资源，完美融合云计算，轻松实现资源的获取和分享。同时，还可下提供网络搜索、IP电视、视频点播、数字音乐、网络新闻、网络视频电话等各种应用服务。

Description

基于LCOS的眼镜型透视融合显示系统

技术领域

本发明属于投影技术，显示技术，光学技术，人体工程学，体感交互技术多学科的结合技术领域，具体涉及一种基于LCOS 的眼镜型透视融合显示系统，在人眼前方虚拟成像，不仅能够接收普通电视节目、自动播放Ｕ盘中高清影像、演示PPT 文档，具备上网，浏览网页，通过虚拟化方式共享资源，完美融合云计算，轻松实现资源的获取和分享。同时，还可下提供网络搜索、IP 电视、视频点播、数字音乐、网络新闻、网络视频电话等各种应用服务。

背景技术

早在1960 年前后，第一代的头戴显示器就开始出现了，头戴显示器，和传统的显示器相比，头戴显示器的外形一般表现为头盔的模式，在显示技术上，头戴显示器和普通的显示器也有所差别。普通显示器是利用面板成像，而头戴显示器的显示模式大体分为两种：一种利用体积微小的面板成像，包括LCD，LCOS，OLED 等面板，然后将影像投射到人的眼睛之中。另一种则是激光扫描显示技术，这种技术是通过微电子机械系统直接把信息“写”在视网膜上。头戴式显示设备本质上是一个投影机系统，一个mini 的、智能的携带式投影显示产品。

头戴显示器最早应用在军事设备上，从20 世纪90 年代开始，很多厂商都开始了头戴式显示器民用化的试探。不过当时的主流显示技术是CRT，而CRT 技术的典型特点就是体积大，因而试探并不成功，但是随着LCD 技术的发展，以及OLED 的出现，头戴式显示器的开发被重新拾了起来，朝着更高像素数的趋势发展，对于微显示这项技术来说是可行的，随着支持制造多边形和自由曲面光学表面的金刚石车削技术的出现，人们开始研究新的自由曲面数学描述方法，这使得在设计紧凑型头戴显示器时，使用超薄光学组合器成为可能。如今头戴式显示正朝着崭新的方向发展，这与智能手机的崛起有着密不可分的关系。移动系统和市场的成熟，使得头戴式显示器脱离了单纯的显示功能，从而具有了增强显示的功能。业内人士称，增强显示终端将成为第八类媒体（前七类媒体分别是纸媒、唱片、电影、电台、电视、互联网和移动终端）。

新型的头戴显示技术采用全视透成像技术，该技术有三种，都属于离轴合成器解决方案，索尼采用了一种功能化的全息波导，佳能和奥林巴斯等公司称其为自由棱镜。该技术是有日本佳能的山崎等提出的。该技术通过一个灵巧的配置，使用全反射实现透视功能；另外苹果（Apple）、诺基亚、摩托罗拉（Motorola）均储备有相关专利。其中，摩托罗拉的专利实际上是台头戴式手机；诺基亚的专利是可以当键盘用，并能像手镯一样戴在腕上的手机，并在2008 年进行了展示； 2012 年4 月谷歌公司发布的一款谷歌眼镜(Google Project Glass)，具有和智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照，视频通话和辨明方向以及上网冲浪、处理文字信息和电子邮件等。2012 年1 月底，美国Silicon Micro Display（SMD）公司发布了一款1080p 全高清3D 头戴式显示器，目前只是在官网上预先发售，尚未出现在市场上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，在眼前呈现放大的虚像，虚像亮度高，色彩丰富，清晰度高的基于LCOS 的眼镜型透视融合显示系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于LCOS 的眼镜型透视融合显示系统，其特征在于：由显示控制器、LCOS显示芯片、液晶盒和光学系统构成，通过向显示控制器输入视频信号，显示控制器输出数字视频信号、数字驱动信号和时钟信号至LCOS显示芯片，LCOS显示芯片驱动像素控制液晶盒输出光学图像，由光学系统投影到人眼视网膜，在人眼前方虚拟成像；

所述显示控制器包括视频信号处理器、FPGA 控制器和帧缓存构成，所述视频信号处理器将视频输入信号，经过模数转换后通过LCOS 时序色彩控制或LCOS色彩过滤控制输出分辨率为数字视频信号；FPGA 控制器通过串行通信对视频信号处理器进行系统配置，并将视频数据转并行缓存控制，通过对SDRAM1和SDRAM2进行乒乓操作控制；帧缓存是将输入的一帧数据存到一片DDR 中，当下一帧到来时，把当前的数据存人另一片DDR中，同时将上一帧数据中相同颜色的数据串行读出；

所述光学系统由具有聚光功能的LED 灯、准直透镜、内设PBS 光学薄膜的偏振片构成的偏振分光镜，目镜、半透半反镜组成,LED 灯作为外光源,其产生的光束通过准直透镜得到均匀的平行光,再通过偏振片, 产生S 偏振光，S 偏振光经过PBS 偏振分光膜的反射进入LCOS面板,当液晶显示为亮态时S 偏振光变成P偏振光, P 偏振光透过PBS偏振分光膜，再经偏振片、目镜、半透半反镜的作用,在人眼前形成几十寸的虚像。

所述SDRAM1和SDRAM2进行乒乓操作控制在对LCOS时序色彩控制的数据进行处理时，是将来自视频解码芯片的彩色图像信号经过位宽变换，每四个时钟将有四个24 bit 彩色信号被变为3 个32 bit的红、绿、蓝单色信号，此时执行一次写FIFO 操作，将3 个32bit 的红、绿、蓝数据分别写入FIFO_R 、FIFO_G 和FIFO_B；1024 个时钟之后， FIFO_R. FIFO_G 和FIFO_B 分别有了256 X 32 bit 的单色数据，此时FIFO_R 向WRITE SDRAM发出读请求信号，WRITESDRAM 向SDRAM CONTROL发出写SDRAM 操作指令，首先读取FIFO_R的数据写入SDRAM 的BANKO，然后读取FIFO_G 的数据写入SDRAM 的BANK 1 ，接下来读取FIFO_B 数据写入SDRAM 的BANK 2 ，读出时，依次把每个Bank 中的单色数据读完。

采用上述技术方案的有益效果：该基于LCOS 的眼镜型透视融合显示系统具有如下特点：

1. 支持不同分辨率和不同刷新率的视频数据：采用独特的编码技术对视频信号进行初始化配置，只需修改对应模块的相应参数值就可以支持不同分辨率和不同刷新率的视频数据，输出不同的数字信息及同步信号等，为视频信号的处理建立了标准的模块。

2. FPGA 控制器中存在跨时钟域数据传输：FPGA 控制器中存在跨时钟域数据传输的问题，例如，输入的视频信号频率为66.67MHz, DDR2工作频率为166MHz ，输出的LCOS 视频信号频率为50MHz. 为了解决这个问题，电路在3 个时钟域间分别插入异步FIFO ，通过设置FIFO 深度和空满标志位，保证数据的可靠传输。

3. 基于Android４.0 平台的透视融合显示系统：选用嵌入式处理器和相关支撑硬件（如，TI 的Omap 平台），在此平台上移植主流的操作系统Android４.0，开发相应的驱动和应用程序。可以作为Android 终端，不仅能够接收普通电视节目、自动播放Ｕ盘中高清影像、演示PPT 文档，还可根据用户需求个性化的安装第三方软件功能，具备上网，浏览网页，通过虚拟化方式共享资源，完美融合云计算，轻松实现资源的获取和分享。同时，还可下载Android 卖场内的各种应用软件和应用，提供网络搜索、IP 电视、视频点播、数字音乐、网络新闻、网络视频电话等各种应用服务。

4. 引入光学中继系统，与目镜共同构成HMD 光学系统HMD 不仅要求光学系统具有大视场、大出瞳直径和大出瞳距离，同时光学系统还必须同微显示器LCOS 的尺寸相匹配。对于仅由目镜构成的光学系统中，在视场角一定的情况下，微显示器的尺寸越小，对应的目镜焦距就越小，否则两者无法相匹配。如果简单缩小焦距使其满足匹配要求，则出瞳直径和出瞳距离都将大大减小；若两者仍能满足HMD要求，则系统的结构和相差将变得不能接受。因此，为解决目镜与小尺寸的LCOS 相匹配的问题，引入了中继系统，与目镜共同构成HMD 光学系统。

5. 用矩形输出口替代LED 时序光源的圆形输出口，理论和实践证明:LED 时序光源的矩形输出口的效率比通常使用的腔体型的效率高5 倍,所以我们把时序光源的输出口由圆形改为矩形。通过这样的改进就可以在同样功耗的LED 点光源条件下大幅提高了显示亮度。在保持低功耗的前提下,大幅提高照射到LCOS 屏上的光强,对改善整个头盔微显示的显示性能有十分重要的作用。

6. LCOS 时序色彩控制：将红、绿、蓝三基色以足够高的频率投影到LCOS显示屏上，通过调节各个基色在LCOS显示屏上的出射量，由于人眼的视觉暂留效应，就可以得到CIE1931色域图中绝大部分的颜色重现范围，在眼前呈现出丰富多彩的显示画面。利用场序彩色技术实现单片反射式LCOS彩色显示的原理，经过导光板匀光后的R、G、B三基色在控制脉冲的作用下，经过PBS分光梭镜依次被投影到LCOS显示屏上，通过控制加载在LCOS像素液晶上电压的大小来调节液晶的导通状态，实现灰度显示。通过时间混色，在单片LCOS显示屏上显示出彩色视域图像。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明基于LCOS 时序色彩控制的显示系统整机结构示意图。

图2为本发明基于LCOS色彩过滤控制的显示系统整机结构示意图。

图3为系统硬件结构框图。

图4为FPGA 控制器模块示意图。

图5为子场分离和SDRAM 存储模块结构图。

图6为LCOS 时序色彩控制原理图。

图7为LCOS色彩过滤控制原理图。

图8用LCOS HMD的光学系统示意图。

具体实施方式

如图1所示的基于LCOS 的眼镜型透视融合显示系统，采用LCOS 时序色彩控制原理，图2为采用LCOS色彩过滤控制原理。其由显示控制器、LCOS显示芯片、液晶盒和光学系统构成，向显示控制器输入视频信号，显示控制器输出数字视频信号、数字驱动信号和时钟信号至LCOS显示芯片，LCOS显示芯片驱动像素控制液晶盒输出光学图像，由光学系统投影到人眼视网膜，在人眼前方虚拟成像。

如图3、4所示，所述显示控制器包括视频信号处理器、FPGA 控制器和帧缓存构成，所述视频信号处理器将视频输入信号，经过模数转换后通过LCOS 时序色彩控制或LCOS色彩过滤控制输出分辨率为数字视频信号；FPGA 控制器通过串行通信对视频信号处理器进行系统配置，并将视频数据转并行缓存控制，通过对SDRAM1和SDRAM2进行乒乓操作控制；帧缓存是将输入的一帧数据存到一片DDR 中，当下一帧到来时，把当前的数据存人另一片DDR中，同时将上一帧数据中相同颜色的数据串行读出。

如图5所示时序色彩控制时，FIFO_R ， FIFO_G ，FIFO_B 为三个位宽32bit ，深度512 的异步FIFO，分别用来暂存一行经过分离的红、绿、蓝单色图像信号。所述SDRAM1和SDRAM2进行乒乓操作控制是将来自视频解码芯片的彩色图像信号经过位宽变换，每四个时钟将有四个24 bit 彩色信号被变为3 个32 bit的红、绿、蓝单色信号，此时执行一次写FIFO 操作，将3 个32bit 的红、绿、蓝数据分别写入FIFO_R 、FIFO_G 和FIFO_B。1024 个时钟之后. FIFO_R. FIFO_G 和FIFO_B 分别有了256 X 32 bit 的单色数据，此时FIFO_R 向WRITE SDRAM发出读请求信号，WRITESDRAM 向SDRAM CONTROL发出写SDRAM 操作指令，首先读取FIFO_R的数据写入SDRAM 的BANKO，然后读取FIFO_G 的数据写入SDRAM 的BANK 1 ，接下来读取FIFO_B 数据写入SDRAM 的BANK 2 ，读出时，依次把每个Bank 中的单色数据读完。

图6为LCOS 时序色彩控制原理图，将红、绿、蓝三基色以足够高的频率投影到LCOS显示屏上，通过调节各个基色在LCOS显示屏上的出射量，由于人眼的视觉暂留效应，就可以得到CIE1931色域图中绝大部分的颜色重现范围，在眼前呈现出丰富多彩的显示画面。利用场序彩色技术实现单片反射式LCOS彩色显示的原理，经过导光板匀光后的R、G、B三基色在控制脉冲的作用下，经过PBS分光梭镜依次被投影到LCOS显示屏上，通过控制加载在LCOS像素液晶上电压的大小来调节液晶的导通状态，实现灰度显示，通过时间混色，在单片LCOS显示屏上显示出彩色视域图像。

图7为LCOS 色彩过滤控制原理图，采用白光分光技术，利用人眼空间细节分辨率差的生理特性，将处于同一平面的三种基色光靠近，只要三个基色光点足够小且充分近，人眼在离开一定距离处观看，感到的是三种基色光混合后所具有的颜色，这种混色方式牺牲了显示屏的空间分辨率。

如图8所述光学系统由具有聚光功能的LED 灯、准直透镜、内设PBS 光学薄膜的偏振片构成的偏振分光镜，目镜、半透半反镜组成,LED 灯作为外光源,其产生的光束通过准直透镜得到均匀的平行光,再通过偏振片, 产生S 偏振光，S 偏振光经过PBS 偏振分光膜的反射进入LCOS面板,当液晶显示为亮态时S 偏振光变成P偏振光, P 偏振光透过PBS偏振分光膜。再经偏振片、目镜、半透半反镜的作用,在人眼前形成几十寸的虚像。

Claims

1.一种基于LCOS 的眼镜型透视融合显示系统，其特征在于：由显示控制器、LCOS显示芯片、液晶盒和光学系统构成，向显示控制器输入视频信号，显示控制器输出数字视频信号、数字驱动信号和时钟信号至LCOS显示芯片，LCOS显示芯片驱动像素控制液晶盒输出光学图像，由光学系统投影到人眼视网膜，在人眼前方虚拟成像；所述显示控制器包括视频信号处理器、FPGA 控制器和帧缓存构成，所述视频信号处理器将视频输入信号，经过模数转换后通过LCOS 时序色彩控制或LCOS色彩过滤控制输出分辨率为数字视频信号；FPGA 控制器通过串行通信对视频信号处理器进行系统配置，并将视频数据转并行缓存控制，通过对SDRAM1和SDRAM2进行乒乓操作控制；帧缓存是将输入的一帧数据存到一片DDR 中，当下一帧到来时，把当前的数据存人另一片DDR中，同时将上一帧数据中相同颜色的数据串行读出；所述光学系统由具有聚光功能的LED 灯、准直透镜、内设PBS 光学薄膜的偏振片构成的偏振分光镜，目镜、半透半反镜组成,LED 灯作为外光源,其产生的光束通过准直透镜得到均匀的平行光,再通过偏振片, 产生S 偏振光，S 偏振光经过PBS 偏振分光膜的反射进入LCOS面板,当液晶显示为亮态时S 偏振光变成P偏振光, P 偏振光透过PBS偏振分光膜，再经偏振片、目镜、半透半反镜的作用,在人眼前形成几十寸的虚像；所述SDRAM1和SDRAM2进行乒乓操作控制在对LCOS时序色彩控制的数据进行处理时，每四个时钟将有四个24 bit 彩色信号被变为3 个32 bit的红、绿、蓝单色信号，此时执行一次写FIFO 操作，将3 个32bit 的红、绿、蓝数据分别写入FIFO_R 、FIFO_G 和FIFO_B；1024 个时钟之后， FIFO_R. FIFO_G 和FIFO_B 分别有了256 X 32 bit 的单色数据，此时FIFO_R 向WRITE SDRAM发出读请求信号，WRITESDRAM 向SDRAM CONTROL发出写SDRAM 操作指令，首先读取FIFO_R的数据写入SDRAM 的BANKO，然后读取FIFO_G 的数据写入SDRAM 的BANK 1 ，接下来读取FIFO_B 数据写入SDRAM 的BANK 2 ，读出时，依次把每个Bank 中的单色数据读完。