CN105158903B - 显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显示器，包括：显示装置，该显示装置包括多个像素，每个像素的透射率或反射率能够被调节；光源系统，用于将光投射到显示装置上，光源系统被设计为使得显示装置的多个像素的出射光指向空间中预定的会聚点。由此，在使用时，可以根据人眼的节点位置，调节照明光的会聚点的位置，使得会聚点和人眼节点重合，这样，用户不需要经过人眼调节就可以无偏差地接收显示器上的图像信息。

Description

显示器

技术领域

本发明涉及一种显示设备，特别是涉及一种显示器。

背景技术

现有的显示器所成的图像一般是向各处发散的，用户可以以不同的角度观看显示器所成的图像，在观看时，需要用户进行人眼调节，以清楚地观看显示器所成的图像，因此，长时间调节会造成人眼的视觉疲劳。

现有的近眼前的显示器(头戴式显示器)，无论是VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示器还是AR(Augmented Reality，增强现实)显示器，都可以通过一组透镜将成像聚焦到人眼的视网膜上，这样，会在一定程度上减少人眼的调节作用，降低人眼的视觉疲劳，但是，这种情况下产生的图像是虚拟图像，人眼会根据感觉的虚拟图像的位置进行调焦，由于虚拟图像的实际位置在屏幕，因此调焦后会看不清图像，此时人眼需要再次调焦，如此反复调节，也会造成视觉疲劳，降低用户的观看体验。

因此，需要一种用户观看时不易产生视觉疲劳的显示器。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种显示器，其可以使得用户看清楚显示器显示的图像，且不易产生视觉疲劳。

根据本发明的一个方面，公开了一种显示器，包括：显示装置，该显示装置包括多个像素，每个像素的透射率或反射率能够被调节；光源系统，用于将光投射到显示装置上，光源系统被设计为使得显示装置的多个像素的出射光指向空间中预定的会聚点。

这样，光源系统发出的光在显示装置的多个像素的调节下就可以形成显示图像，而光源系统发出的光是带有特定的方向，使得入射到显示装置上的光从显示装置出射后可以指向空间中预定的会聚点，因此，在应用时，可以根据人眼的节点位置，调节会聚点的位置，以使会聚点与人眼节点重合，这样，用户就可以轻松看清楚显示器所呈现的图像，不易产生视觉疲劳。

优选地，光源系统可以包括点光源和光学系统，其中，光学系统用于将点光源发出的光转变为会聚光。

由此，可以采用点光源为显示装置提供用以形成显示图像的光，光学系统可以调节点光源发出的光的方向，使得调节后的光从显示装置出射后可以指向空间中预定的会聚点。

优选地，光学系统可以包括如下所示的任一种：

凸透镜；

菲涅尔透镜；

全息图。

也就是说，光学系统可以采用凸透镜、菲涅尔透镜或全息图等多种光学元件对点光源发出的光进行调节，使其变成会聚光。

优选地，光学系统还可以包括椭球凹面镜，此时，点光源位于椭球凹面镜的一个焦点，会聚点位于椭球凹面镜的另一个焦点。

由此，光学系统还可以采用椭球凹面镜对照明光进行会聚。

优选地，椭球凹面镜可以是半反半透镜。

这样，椭球凹面镜采用半反半透镜，在对照明光进行会聚的同时，还可以将外界的实景入射在眼内，可以提升用户的观看体验。

优选地，光学系统包括：椭球凹面镜组，该椭球凹面镜组包括多个椭球凹面镜，多个椭球凹面镜的焦点重合。

由此，光学系统还可以采用椭球凹面镜组对照明光进行会聚。

优选地，多个椭球凹面镜可以分别为完整的椭球面的位于两个平面之间的一部分，两个平面可以是垂直于两个焦点之间的连线。

由此，多个椭球凹面镜采用部分结构的椭球凹面镜，可以节省材料，降低成本。

优选地，从显示装置的多个像素出射的出射光的会聚点与人眼节点重合，显示器还可以包括：人眼节点测量装置，用于实时测量人眼节点的位置；光源系统调节装置，用于对光源系统进行调节，以使得出射光的会聚点随人眼节点的移动而移动。

这样，光源系统调节装置根据人眼节点测量装置测得的人眼节点的位置，对光源系统进行调节，可以使得会聚点始终与人眼节点重合。

优选地，光源系统还可以包括多个点光源，分别对应于多个会聚点，多个会聚点分别对应于人眼节点活动范围内的多个位置，光源系统调节装置开启与所测量的人眼节点的位置对应的点光源。

由此，光源系统调节装置可以根据人眼节点的位置启动不同位置的点光源，以使得启动的点光源的出射光的会聚点与人眼节点的位置重合。

优选地，光源系统调节装置可以移动点光源和/或光学系统，以使会聚点与所测量的人眼节点的位置重合。

由此，光源系统调节装置还可以通过移动点光源或移动光学系统，或移动点光源和光学系统的方式，使会聚点与人眼节点的位置重合。

优选地，上述显示器可以是头戴式显示器。

由此，本发明的显示器可用于头戴显示器。

优选地，显示器还可以包括多个显示系统，每个显示系统包括：一个显示装置和一个与其对应的光源系统，多个显示系统各自的会聚点重合。

这样，多个显示系统可以各自显示一部分图像，多个显示系统的图像构成需要显示的完整图像。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了一个光学系统中的物方节点和像方节点的光路示意图。

图2示出了基于本发明的显示器的结构的示意性方框图。

图3示出了本发明的显示器的一种实施例的结构示意图。

图4示出了本发明的显示器的另一种实施例的结构示意图。

图5示出了基于本发明的显示器的另一种结构的示意性方框图。

图6是基于图5的一个具体实施例的显示器的结构示意图。

图7示出了基于本发明的显示器的另一种结构的示意性方框图。

图8是基于图7的一个具体实施例的显示器的结构示意图。

图1至图8中标号的具体含义为：

N、物方节点；N′、像方节点；1、显示装置；2、光源系统；3、显示系统；4、人眼节点；5、人眼节点测量装置；6、光源系统调节装置；21、点光源；220、凸透镜；221、椭球凹面镜组；1-1、第一显示装置；1-2、第二显示装置；21-1、第一点光源；21-2、第二点光源；221-1、第一椭球凹面镜组；221-2、第二椭球凹面镜组。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

首先对本发明的显示器的发明原理做简要说明。

在光学系统中，节点(nodal point)是角放大率＝+1的一对共轭点，指向物方节点的光经过光学系统的折射后相当于从像方节点射出，并不改变与光轴的夹角。人眼的节点在角膜顶点后大约7.33mm，当人眼调节状态发生改变时，节点的位置仅发生微小的移动。

图1是一个光学系统中的物方节点和像方节点的光路示意图。

如图1所示，点N和N’分别是物方节点和像方节点，指向物方节点N的光线，相当于从N’发射出来，并且不改变方向。人眼的屈光系统虽然是由角膜、晶状体构成的透镜组，并且眼外和眼内的折射率不同，但也同样存在着这样的两个节点，其位置大约在角膜中央的角膜顶点之后7.33mm。

因此，当显示器上多个像素发出的光都指向人眼的节点(物方节点)时，人眼不需要在进行调节就可以无偏差地接收显示器上的图像信息。本发明的显示器就是根据这种原理发明的。

下面首先结合图2描述本发明的显示器应有的结构。

图2示出了基于本发明的显示器的结构的示意性方框图。

如图2所示，本发明的显示器包括显示装置1和光源系统2。

显示装置1包括多个用于成像的像素，可以对投射到其上的光进行调节。其中，显示装置1可以是透射式显示装置，也可以是反射式显示装置。

例如，显示装置1可以采用液晶显示屏等透射式显示装置。显示装置1采用液晶显示屏时，可以通过调节液晶显示屏中液晶两端的电压改变各个液晶的透射率。

显示装置1还可以采用反射式显示装置，反射式显示装置可以由透射式显示装置加反射装置组成。例如可以采用LCoS(Liquid crystal on silicon，即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置)、DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜元件，由美国德州一仪器公司开发的一种极小的反射镜)作为反射式显示装置。

由上可知，显示装置1采用透射式显示装置时，可以对入射到其上的光的调节主要是强度调节，即透射式显示装置可以改变其上出射光的强度。显示装置1采用反射式显示装置时，调节则包括强度调节和方向调节，即反射式显示装置可以改变其上出射光的强度和出射方向。

光源系统2用于为显示装置1提供照明光(对于透射式显示装置，也可称为背光)。照明光在显示装置1的多个显示像素的透射率或反射率的调节作用下，就可以在显示装置1上显示图像。其中，光源系统2提供的照明光带有一定的方向性，该方向性使得照明光入射到显示装置1后出射(此处的出射可以是反射，也可以是透射)出去的出射光可以会聚于空间中一个会聚点，该会聚点的位置可以是预先设定的。

例如，会聚点的位置可以根据用户的人眼的节点的位置预先设定。这样，显示装置1上显示的图像可以直接入射到人眼的节点，然后无偏折地入射到视网膜上，由此，用户就可以不用进行人眼调节，只需睁开眼睛即可看清楚显示装置1显示的图像。

由上文所提及的光源系统2的作用可知，光源系统2可以由提供照明光的光源和调节照明光光线方向的光学系统组成，其中光源可以是点光源、面光源、平行光源等等，其发出的光可以是散射光，也可以平行光，光学系统用于调节光源发出的照明光的方向，以使得照明光入射到显示装置出射后可以会聚于空间一点。

因此，当光源是点光源时，光学系统可以由对光线具有会聚作用的光学元件或光学组件组成。例如，光学系统可以是凸透镜、菲涅尔透镜、全息图、椭球凹面镜、椭球凹面镜组等光学元件或光学组件。

光学系统采用由激光制成的全息图时，点光源可以是以一定角度向全息图发射的激光参考光。

当光源是平行光源时，光学系统还可以是凹透镜，此时，点光源可以位于凹透镜的焦点处。

另外，应该知道，根据光源的发光特性，光学系统还可以是其它由多种光学元件组成的光学组件。只要这些光学元件或光学组件组成的光学系统可以将光源发出的光线调制成可以会聚于空间中一点的光线即可。

上面结合图2简单叙述了本发明的显示器的结构框图，下面就具体实施例对本发明的显示器的结构作进一步详细说明，其中重点叙述与图1的不同之处，对于相同之处不再赘述。

图3示出了本发明的显示器的一种实施例的结构示意图。

如图3所示，本发明实施例的显示器包括点光源21、凸透镜220和显示装置1。

其中，本发明实施例中的显示装置1是透射式显示装置，应该知道，对于本实施例而言，显示装置1还可以是反射式显示器。

本发明实施例中的显示装置1含有多个透射率可调的像素，凸透镜220位于点光源21和显示装置1之间。点光源21用于为显示装置2提供背光光线，背光光线入射到显示装置1上时，在显示装置1的多个像素的调节作用下，可以在显示装置1上显示图像。凸透镜220用于调节背光光线的方向，使得背光光线入射到显示装置1并出射出去的光线可以会聚于空间一个会聚点，如图中所示，该会聚点的位置可以优选地设定为人眼节点4的位置。

图4示出了本发明的显示器的另一种实施例的结构示意图。

如图4所示，本发明实施例的显示器包括点光源21、椭球凹面镜组221和显示装置1。其中，椭球凹面镜组221包括多个椭球凹面镜，多个椭球凹面镜的焦点重合，点光源21位于椭球凹面镜的一个焦点处。

这样，点光源21发出的光可以在多个椭球凹面镜的反射作用下，会聚在另一个焦点处，人眼节点4处于该焦点处时，显示装置1上显示的图像可以直接入射到人眼的节点，然后无偏折地射到视网膜上。

其中，多个椭球凹面镜可以优选地分别为完整的椭球面的一部分，且多个椭球凹面镜还可以优选地采用半反半透镜。

这样，多个椭球凹面镜采用部分结构就可以将点光源21发出的光会聚于一点，节约材料，且采用半反半透镜时，用户进行观看时，还可以看到外部环境，这样，可以起到增强现实的作用，可以进一步增加观看体验。

图4中所示的多个椭球凹面镜分别为完整的椭球面的位于垂直于两个焦点之间的连线的两个平面之间的一部分，应该知道，图中所示的多个椭球凹面镜的结构仅是一种可行的示例，多个椭球凹面镜还可以有多种其它的分割方式。例如，多个椭球凹面镜还可以为倾斜的两个平面之间的部分。

图5示出了基于本发明的显示器的另一种结构的示意性方框图。

如图5所示，本发明实施例的显示器包括显示装置1、光源系统2、人眼节点测量装置5以及光源系统调节装置6。其中，显示装置1和光源系统2在图1已经做了详细描述，此处不再赘述。

下面重点叙述本发明实施例与图1的不同之处。

本发明实施例的显示器中的会聚点与人眼节点重合，其中，人眼节点测量装置5用于实时测量人眼节点的位置，光源系统调节装置6用于对光源系统2进行调节，以使得出射光的会聚点随人眼节点的移动而移动，以保证出射光的会聚点始终与人眼节点重合。

其中，人眼节点测量装置5可以通过测量人眼视线的方向的方式获得人眼节点的位置。

而光源系统调节装置6调节光源系统2，以使得出射光的会聚点与测得的人眼节点位置重合可以有多种方式。

如图6所示，光源系统2可以包括多个不同位置的点光源21，每个点光源21都对应于一个会聚点，多个点光源21的会聚点对应于人眼节4点活动范围的多个位置。也就是说，多个会聚点构成人眼节点4的移动路径。

此时，光源系统调节装置6可以根据人眼节点测量装置5测量得到的人眼节点4的位置，来启动与测量的人眼节点4的位置对应的点光源21，以使得启动的点光源21的会聚点与人眼节点4的位置重合，当人眼节点4位置改变时，关闭该点光源，并启动与该时刻人眼节点的位置对应的点光源，这样就可以保证会聚点始终与人眼节点位置重合。

另外，当光源系统包括一个点光源时，光源系统调节装置6还可以通过移动点光源或光学系统的方式，使会聚点与所测量的人眼节点的位置重合。当然，光源系统调节装置6还可以通过移动点光源和光学系统的方式，使得会聚点和所测量的人眼节点的位置重合。

图7示出了基于本发明的显示器的另一种结构的示意性方框图。

如图7所示，本发明实施例的显示器包括多个显示系统3，每个显示系统3包括一个显示装置1和与其对应的光源系统2。

其中，关于显示装置1和光源系统2的相关描述，可参见上文图1中所述。

本发明实施例的多个显示系统5各自的会聚点重合，这样多个显示系统5所显示的多个图像都可以直接入射到人眼的节点，然后无偏折地入射到视网膜上，这样，人眼就可以同时观看多个显示系统5显示的画面。

本发明实施例的显示器的每个显示系统5所成的像构成需要展示的画面的一部分。

本发明实施例的显示器可用来显示三维图像，具体地说，各个显示系统5可以用来展现同一个物体的不同视角的图像，这样，人眼接收到多个显示系统5的画面后，就可以产生带有立体感的图像。

图8是基于图7的一个具体实施例的显示器的结构示意图。

如图8所示，本发明实施例的显示器包括第一显示装置1-1、第一点光源21-1、第一椭球凹面镜组221-1和第二显示装置1-2、第二点光源21-2、第二椭球凹面镜组221-2。

第一点光源21-1发出的光在第一椭球凹面镜组221-1的作用下，会聚于人眼节点4。第二点光源21-2发出的光在第二椭球凹面镜组221-2的作用下，也会聚于人眼节点4。因此，第一显示装置1-1和第二显示装置1-2显示的图像都可以直接入射到人眼的节点。

综上，本发明的显示器至少有如下优点：

1、本发明的显示器可以将显示的图像会聚到人眼的节点，使得人眼可以无偏差地接收显示器所显示的图像；

2、本发明的显示器可以应用于头戴式显示器等近眼前显示器，观看时可以减少人眼的调节活动，且不易产生视觉疲劳；

3、本发明的显示器可以用于三维显示器，其可以直接在用户的人眼中产生带有立体感的三维图像。

上文中已经参考附图1至7详细描述了本发明的显示器的各实施例，应该知道，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种显示器，包括：

显示装置，该显示装置包括多个像素，每个所述像素的透射率或反射率能够被调节；

光源系统，用于将光投射到所述显示装置上，所述光源系统被设计为使得所述显示装置的所述多个像素的出射光指向空间中预定的会聚点，所述会聚点与人眼节点重合，

人眼节点测量装置，用于实时测量人眼节点的位置；

光源系统调节装置，用于对所述光源系统进行调节，以使得所述出射光的会聚点随所述人眼节点的移动而移动。

2.根据权利要求1所述的显示器，所述光源系统包括：

点光源；

光学系统，用于将所述点光源发出的光转变为会聚光。

3.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述光学系统包括如下所示的任一种：

凸透镜；

菲涅尔透镜；

全息图。

4.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述光学系统包括：

椭球凹面镜，所述点光源位于所述椭球凹面镜的一个焦点，所述会聚点位于所述椭球凹面镜的另一个焦点。

5.根据权利要求4所述的显示器，其中，

所述椭球凹面镜是半反半透镜。

6.根据权利要求5所述的显示器，所述光学系统包括：

椭球凹面镜组，该椭球凹面镜组包括多个所述椭球凹面镜，所述多个椭球凹面镜的焦点重合。

7.根据权利要求6所述的显示器，其中，所述多个椭球凹面镜分别为完整的椭球面的位于两个平面之间的一部分，所述两个平面垂直于所述两个焦点之间的连线。

8.根据权利要求1所述的显示器，所述光源系统包括多个点光源，分别对应于多个会聚点，所述多个会聚点分别对应于人眼节点活动范围内的多个位置，

所述光源系统调节装置开启与所测量的人眼节点的位置对应的点光源。

9.根据权利要求2所述的显示器，所述光源系统调节装置移动所述点光源和/或所述光学系统，以使所述会聚点与所测量的人眼节点的位置重合。

10.根据权利要求1至9中的任何一项所述的显示器，所述显示器是头戴式显示器。

11.根据权利要求1至9中的任何一项所述的显示器，包括：多个显示系统，每个所述显示系统包括：

一个所述显示装置和一个与其对应的所述光源系统，

所述多个显示系统各自的所述会聚点重合。