CN1637459A - 可戴的彩色显示系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种可戴的彩色显示系统。该系统包括：光栅，该光栅接收红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)图像信号，并对于相应彩色分量而以预定角度来折射该R、G和B图像信号；波导管，该波导管传送通过光栅折射的R、G和B图像信号的相应彩色分量；以及目镜，该目镜输出通过波导管传送的R、G和B图像信号的相应彩色分量，以便会聚在基本相同的聚焦点。该系统能够通过更少的光学装置和简单的结构来显示彩色图像，且用户能够很方便地戴上该系统来看彩色图像。

Description

可戴的彩色显示系统
技术领域
本发明涉及一种可戴的显示系统，尤其是涉及一种可戴的彩色显示系统，用于根据彩色信号来显示彩色图像。
背景技术
近来，通常称为头戴式或头盔显示(HMD)系统作为光学显示系统日益用于军事、医疗或个人显示用途。该HMD系统包括象眼镜、护目镜或头盔这样的可戴装置，通过该可戴装置，用户可以看到图像信号。该可戴的显示系统的一个优点是使用户即使在运动时也能够接收图像图像信息。
图1表示了典型的HMD系统。如图1所示，HMD系统通常包括玻璃透镜100和安装在该玻璃透镜100的中心处的图像产生单元110。如图1所示，该图像产生单元110非常大和重，且它使得HMD系统的整个外观并不很好看。图像产生单元110的结构较大和较重主要是由于其中包含有几个光学装置。
图2是表示典型HMD系统的结构的方框图。如图2所述，HMD系统包括图像产生单元200、显示面板210和光学系统220，图像产生单元200接收和存储由外部源例如个人计算机或视频播放器(未示出)提供的图像信号，并对接收的图像信号进行处理，以便在显示面板210上显示图像，该显示面板210例如LCD面板。光学系统220通过放大光学系统来放大显示在显示面板上的图像，以便产生由用户眼睛看到的、尺寸足够放大的虚图像。同时，HMD系统还可以包括外围装置，例如用于戴该系统的支承件、或者用于从外部源接收图像或其它信号的电线。
图3表示了包含于图2所示的典型HMD系统中的普通光学系统。如图3所示，该普通光学系统包括准直透镜300、X-棱镜310、聚焦透镜320、反射镜330以及目镜或放大镜340。该准直透镜300将从光源例如显示面板发射的光(即图像信号)转变成光束，即平行光，并将该光束传送给X-棱镜310。该X-棱镜310将由准直透镜300传送的光束分两个分别成向左和向右的光谱射束，并将这两个光谱射束传送给相对于X-棱镜310布置的左右聚焦透镜320。聚焦透镜320使光谱射束聚焦，而反射镜330使聚焦的射束转向。转向的射束通过目镜或放大镜340而向用户眼睛传播。该目镜340放大由显示面板发射并经过上述光学装置的图像信号，因此，最终在用户眼睛中显示了放大的图像。当该图像信号为彩色信号时，能够除去色像差的该类型透镜将用作目镜340。
如上所述，典型的可戴显示系统例如HMD的普通光学系统包括多个光学装置，例如准直透镜、X-棱镜、聚焦透镜、反射镜和目镜，所有的光学装置都需要很高精度。考虑到光学装置需要很高精度，将很难在光学系统中配备光学装置，且制造该光学系统需要大量的时间努力。即使精确设计了各个光学装置，也很难将这些光学装置彼此精密装配。而且，如前面参考图1所示，因为有多个光学装置，普通的光学系统或包括光学系统的图像产生单元相当大和相当重。因此，不便于用户戴该HMD系统。而且，用于多个光学装置和难以制造该光学系统，因此该HMD系统的制造成本增加。
同时，能够显示彩色图像的可戴显示系统还不能商品化。不过，可以预计，将越来越要求该可戴显示系统能够显示彩色图像，因此，越来越需要开发可戴的彩色显示系统。
发明内容
本发明提供了一种可戴的彩色显示系统，该可戴彩色显示系统有简单的结构，且能够通过更少的光学装置来显示彩色图像。
本发明的可戴彩色显示系统包括：光栅，该光栅接收红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)图像信号，并对于相应彩色分量而以相应的预定角度来折射该R、G和B图像信号；波导管，该波导管传送通过光栅折射的R、G和B图像信号的相应彩色分量；以及目镜，该目镜输出通过波导管传送的R、G和B图像信号的相应彩色分量，以便会聚在基本相同的聚焦点。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该光栅是多路类型光栅，其中，R、G和B彩色分量信号通过同一光栅以相应的预定角度折射。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该光栅为迭片类型的光栅，其中，只以预定角度折射R、G和B彩色分量信号中的一个信号的层与只以另一预定角度折射另一信号的另一层进行层叠。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是目镜是多路类型透镜，其中，R、G和B彩色分量信号通过同一透镜会聚到基本相同的聚焦点。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该目镜为迭片类型的目镜，其中，只以预定角度折射R、G和B彩色分量信号中的一个信号的层与只以另一预定角度折射另一信号的另一层进行层叠，且通过相应层进行折射的相应R、G和B彩色分量信号会聚在基本相同的聚焦点。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该系统还包括：发光单元，该发光单元产生R、G和B射束；以及彩色图像产生装置，该彩色图像产生装置产生将显示的图像，且该彩色图像产生装置有显示面板，以便根据来自发光单元的R、G和B射束而输出彩色图像信号。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是发光单元包括发光二极管，该发光二极管起到相应的R、G和B射束的光源的作用；滤光镜，该滤光镜缩小相应R、G和B射束分量的波长的范围；以及准直透镜，该准直透镜使穿过该滤光镜的R、G和B射束彼此平行地传送。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该显示面板为液晶显示(LCD)面板，该发光单元包括：白色光发光二极管，该发光二极管起到LCD面板的背光的作用；以及滤光镜，用于过滤和缩小从白色光发光二极管发出的相应R、G和B射束分量的波长的范围，其中，该滤光镜的数目与LCD面板的像素数目相对应。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该显示面板是液晶显示(LCD)面板，该发光单元通过光纤提供R、G和B射束。
在本发明的可戴彩色显示系统中，优选是该发光单元包括射束扩展器，用于扩展具有较小射束尺寸的R、G和B射束的射束尺寸，且该射束扩展器以扩展的射束尺寸来输出R、G和B射束。
附图说明
通过参考附图对优选实施例的说明，能够更好地理解本发明的上述方面和优点，附图中：
图1表示了典型的HMD系统；
图2是表示典型的HMD系统的结构的方框图；
图3表示了在图2的典型HMD系统中所包含的普通光学系统的结构；
图4表示了本发明优选实施例的可戴彩色显示系统的结构；
图5表示了迭片型光栅的一个实例；
图6表示了(a)LED的布置方式；(b)该LED与图4中所示的发光单元的滤光镜的组合；(c)LED的R、G和B的亮度vs.波长；以及(d)LED的透射比vs.波长；
图7表示了图4中所示的发光单元的另一实例；以及
图8表示了本发明的可戴彩色显示系统的另一实施例。
具体实施方式
本发明优选实施例的可戴彩色显示系统包括发光单元400和目镜系统410，如图4所示。
发光单元400产生由三种基本彩色分量组合的光束作为背光，这三种基本彩色分量即红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)彩色分量。在本实施例中，发光单元400包括：发光二极管(LED)401，该发光二极管发出波长分别为R、G和B彩色分量的光束；干涉滤光镜402，该干涉滤光镜将由各LED发出的R、G和B射束的相对较大波长过滤成非常小的波长；以及准直透镜403，该准直透镜403输出彼此平行的滤过射束。
目镜系统410可以装在较轻和较小尺寸的可戴装置中，以便向用户显示彩色图像信号。该目镜系统410包括显示面板411、光栅412、波导管413和目镜414。
显示面板411响应来自发光单元400的光束而输出R、G和B彩色分量组合的彩色图像信号。该显示面板411并不必须装在目镜系统410中。
光栅412使来自显示面板411的彩色图像信号折射预定角度。因为彩色图像信号具有R、G和B彩色分量的组合，优选是该光栅412根据R、G和B彩色分量的波长λ而形成相应的预定折射角θ(λ)。折射角θ(λ)计算为使得R、G和B彩色分量都全部由波导管折射，并在波导管中运动相同的距离。在图4中所示的实施例中，光栅412为多路类型光栅，它的图形分别与在一个光栅中形成的R、G和B彩色分量的波长相对应，因此，三个波长的信号能够通过一个光栅以相应角度进行衍射。
波导管413起到信号传输媒介的作用，它沿预定方向传送通过光栅412的图像信号。
安装在波导管413表面上的目镜414输出由波导管412传送的彩色图像信号。该目镜414与光栅412成共轭关系。也就是，当光栅412将以预定入射角度入射的输入信号以预定折射角度进行衍射，目镜414接收以光栅412的预定折射角进行传送的信号，并在角度与光栅412的预定入射角相同的情况下进行折射和输出。目镜414使R、G和B彩色信号分量在通过目镜414后在相同的聚焦距离处会聚。如上所述，显示面板411为用于目镜系统410的光学装置，并不需要包含于该目镜系统410中。也就是，图像可以由不同于显示面板的外部源供给目镜系统410。
图5表示了迭片类型的光栅，该光栅的类型与图4中所示的多路类型光栅不同。该迭片类型的光栅有层叠层，对于R、G和B信号分量，各层叠层只使一种波长的信号分量以预定角度折射，而使其它信号无折射地传送。图5还表示了层叠类型的目镜，该层叠类型的目镜有与光栅相同的功能。通过这些层的R、G和B图像信号会聚到相同的聚焦点。
图6a表示了三个基色光束即R、G和B射束的布置方式的一个实例。图6b表示了LED401和滤光镜402的布置方式的一个实例。滤光镜402可以布置成分别与产生R、G和B彩色射束的LED相对应。分别用于产生R、G和B彩色射束的LED401产生波长Δλ为几十纳米的光射线。这样大的波长将减小至适于光栅的预定波长，该光栅制成为以预定角度折射预定波长。因此，优选是在靠近LED401处布置有干涉滤光镜402，该干涉滤光镜402分别使有中心波长的R、G和B光射线通过。图6c表示了分别产生R、G和B光射线的LED的光谱带。图6d表示了利用滤光镜402获得的光谱的一个实例。
图7表示了图4所示的发光单元的另一实例。图7a表示了背光单元，当显示面板411是LCD面板时，该背光单元可用作发光单元。该背光单元包括：白色光发光二极管701，它产生白色的光射线；以及滤光镜702，该滤光镜702过滤和削尖在由白色光发光二极管701发出的白色光射线中的R、G和B彩色分量的波长。滤光镜702与LCD面板的相应像素相对应。
图7b表示了当显示面板411是LCD面板时可以使用的发光单元的另一实例。图7b中所示的发光单元通过光学滤光镜711而提供R、G和B光712、713和714。因为通过光纤提供的R、G和B光是有基本较短波长的信号，并不相应滤光镜。
图7c表示了当显示面板411是LCD面板时可以使用的发光单元的还一实例。图7c中所示的发光单元包括射束扩展器725，用于扩展具有较小射束尺寸以便通过光纤724的R、G和B光721、722和723的射束尺寸，并将扩展了的射束提供给显示面板411。
图8表示了本发明的可戴彩色显示系统的另一实施例。图8中所示系统包括电源800、发光单元810、反射镜820以及目镜系统830。
电源800向发光单元810供电。该发光单元810包括用于产生光的元件，例如LED、激光、LD等，并产生R、G和B颜色的冷光。反光镜820是象眼镜一样的支持元件，以便当用户戴上该系统时调节冷光的方向。
目镜系统830可以安装或包含在较轻和较小尺寸的可戴装置上，以便向用户显示彩色图像信号。目镜系统830包括显示面板831、光栅832、波导管833和目镜834。
显示面板831是图像显示装置，它根据来自发光单元810的光束通过R、G和B彩色分量的组合来输出彩色图像信号。
光栅832以预定角度折射来自显示面板831的彩色图像信号。因为彩色图像信号有R、G和B彩色分量的组合，因此，优选是，光栅832根据相应R、G和B彩色分量的波长λ而分别提供有预定的折射角度θ(λ)。计算该折射角度θ(λ)，使得R、G和B彩色分量全部由波导管折射，并在波导管中运动相同的距离。光栅832既可以是多路类型的光栅，该光栅的图形为分别与形成于一个光栅中的R、G和B彩色分量的波长相对应，从而使三个波长的信号都能够通过一个光栅以相应角度衍射，光栅还可以是迭片类型的光栅，该光栅有层叠层，对于R、G和B信号分量，各层叠层只使一种波长的信号分量以预定角度折射，并使其它信号无折射地传送。
波导管833起到信号传输媒介的作用，它以预定方向传送通过光栅832的图像信号。
安装在波导管833的表面上的目镜834输出通过波导管832传送的彩色图像信号。目镜834与光栅832成共轭关系。也就是，当光栅832将以预定入射角度入射的输入信号以预定折射角度进行衍射时，目镜834接收以光栅832的预定折射角进行传送的信号，并在角度与光栅832的预定入射角相同的情况下进行折射和输出。目镜834使R、G和B彩色信号分量在通过目镜834后在相同的聚焦距离处会聚。目镜834既可以为多路类型的透镜，也可以为迭片类型的透镜。
尽管已经通过单目镜类型结构表示和介绍了本发明的实施例，但是，与上述相同的功能和原理也可用于双目镜系统。
本发明的可戴彩色显示系统能够通过更少的光学装置和简单的结构来显示彩色图像，且用户能够很方便地戴该系统，以便看彩色图像。
尽管已经参考优选实施例特别表示和介绍了本发明，但是应当知道，在不脱离由附加的权利要求确定的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对形式和细节进行各种变化。

Claims (10)

1.一种可戴的彩色显示系统，包括：
光栅，该光栅接收红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)图像信号，并分别对于R、G和B图像信号的彩色分量而以预定角度来折射该R、G和B图像信号；
波导管，该波导管传送通过光栅折射的R、G和B图像信号的彩色分量；以及
目镜，该目镜输出通过波导管传送的R、G和B图像信号的彩色分量，以便会聚在基本相同的聚焦点。
2.根据权利要求1所述的可戴彩色显示系统，其中：该光栅是多路类型光栅，其中，R、G和B彩色分量信号通过同一光栅以预定角度折射。
3.根据权利要求1所述的可戴彩色显示系统，其中：该光栅为迭片类型的光栅，其中，只以预定角度折射R、G和B彩色分量信号中的一个信号的层与只以另一预定角度折射另一信号的另一层进行层叠。
4.根据权利要求1所述的可戴彩色显示系统，其中：目镜是多路类型透镜，其中，R、G和B彩色分量信号通过同一透镜会聚到基本相同的聚焦点。
5.根据权利要求1所述的可戴彩色显示系统，其中：该目镜为迭片类型的目镜，其中，只以预定角度折射R、G和B彩色分量信号中的一个信号的层与只以另一预定角度折射另一信号的另一层进行层叠，且通过相应层进行折射的R、G和B彩色分量信号会聚在基本相同的聚焦点。
6.根据权利要求1所述的可戴彩色显示系统，其中，还包括：发光单元，该发光单元产生R、G和B射束；以及彩色图像产生装置，该彩色图像产生装置产生将显示的图像，且该彩色图像产生装置有显示面板，以便根据来自发光单元的R、G和B射束而输出彩色图像信号。
7.根据权利要求6所述的可戴彩色显示系统，其中：发光单元包括发光二极管，该发光二极管起到R、G和B射束的光源的作用；滤光镜，该滤光镜削尖相应R、G和B射束分量的波长；以及准直透镜，该准直透镜使穿过该滤光镜的R、G和B射束彼此平行地传送。
8.根据权利要求6所述的可戴彩色显示系统，其中：该显示面板为液晶显示(LCD)面板，该发光单元包括：白色光发光二极管，该白色光发光二极管起到LCD面板的背光的作用；以及滤光镜，用于过滤和削尖从白色光发光二极管发出的相应R、G和B射束分量的波长，其中，该滤光镜的数目与LCD面板的像素数目相对应。
9.根据权利要求6所述的可戴彩色显示系统，其中：该显示面板是液晶显示(LCD)面板，该发光单元通过光纤提供R、G和B射束。
10.根据权利要求6所述的可戴彩色显示系统，其中：该发光单元包括射束扩展器，用于扩展具有较小射束尺寸的R、G和B射束的射束尺寸，且该射束扩展器以扩展的射束尺寸来输出R、G和B射束。
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