CN1637460A - 能够调节图像的放大的可戴显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够调节图像的放大的可戴显示系统。该系统包括：物镜，用于输入图像信号；光栅，用于以预定角度折射由物镜放大的图像信号；波导管，用于传送由光栅折射的图像信号；以及目镜，用于形成与通过波导管传送的图像信号相对应的图像，从而使用户能够看见图像。可以利用较小和较轻的元件形成象眼镜一样可戴的显示系统，该显示系统通过由折射透镜对显示图像进行主要放大以及由目镜进行附加放大，可以向用户提供高度放大和可视的图像。

Description

能够调节图像的放大的可戴显示系统
技术领域
本发明涉及一种显示系统，尤其是涉及一种可戴的显示系统，其中，可以利用显微镜原理来调节图像的放大级。
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。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，因为在普通的可戴显示系统中，出射光瞳较小，且放大级固定，因此难以在用户戴该系统时提高图像的视觉质量。
发明内容
本发明提供了一种可戴的显示系统，其中，可以通过采用显微镜原理而利用最小数目的光学装置来调节图像的放大级。
本发明还提供了一种可戴的彩色显示系统，其中，可以通过采用显微镜原理而利用最小数目的光学装置来调节彩色图像的放大级。
根据本发明的一个方面，提供了一种可戴的显示系统，用于显示输入的图像信号，该可戴显示系统包括：物镜，用于放大图像信号；光栅，用于以预定角度折射由物镜放大的图像信号；波导管，用于传送由光栅折射的图像信号；以及目镜，用于形成与通过波导管传送的图像信号相对应的图像，从而使用户能够看见图像。
优选是，图像信号的放大级可以通过改变物镜和/或目镜的聚焦距离而进行调节。
优选是，该物镜可沿图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
优选是，该波导管可沿图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
优选是，该波导管包括高反射材料的涂层板，用于使图像信号进行全反射和传输。
优选是，该光栅是全息照相光学元件。
优选是，该图像信号在离开物镜的聚焦距离的位置处产生。
根据本发明的另一方面，提供了一种可戴的彩色显示系统，用于显示红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)输入图像信号，它包括：物镜，用于放大R、G和B输入图像信号；光栅，用于以预定角度折射由物镜放大的R、G和B图像信号；波导管，用于传送由光栅折射的R、G和B图像信号；以及目镜，用于形成与通过波导管传送的R、G和B图像信号相对应的图像，从而使用户能够看见图像。
优选是，R、G和B图像信号的放大级可以通过改变物镜和/或目镜的聚焦距离而进行调节。
优选是，该物镜可沿R、G和B图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
优选是，该波导管可沿R、G和B图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
优选是，该波导管包括高反射材料的涂层板，用于使R、G和B图像信号进行全反射和传输。
优选是，该光栅是全息照相光学元件。
优选是，该R、G和B图像信号在离开物镜的聚焦距离的位置处产生。
优选是，该光栅是多路类型光栅，用于根据R、G和B信号的波长以彼此不同的角度折射R、G和B图像信号，从而使R、G和B图像信号能够分别在波导管内运动恒定距离。
优选是，该光栅为迭片类型的光栅，它有以预定顺序层叠的层，各层只根据波长以预定角度折射一个R、G和B图像信号。
优选是，该目镜是多路类型透镜，用于根据R、G和B信号的波长以彼此不同的角度折射R、G和B图像信号，从而使R、G和B图像信号能够分别会聚在相同的焦点处，以便形成组合图像。
优选是，该目镜为迭片类型的透镜，它有以预定顺序层叠的层，各层只根据R、G和B信号的波长以预定角度折射一个R、G和B图像信号，且分别通过相应层折射的R、G和B图像信号会聚在相同的焦点处，以便形成组合图像。
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显示系统的结构；
图5表示了用于本发明的可戴显示系统中的显微镜原理；
图6a至6d表示了本发明的可戴显示系统的另一实施例；
图7a至7d表示了本发明的可戴显示系统的还一实施例；
图8表示了本发明的可戴彩色显示系统的优选实施例，用于显示彩色信号或R、G和B图像信号；以及
图9表示了包含在可戴彩色显示系统中的波导管、光栅以及迭片型目镜的组件，该可戴彩色显示系统用于显示图8中所示的彩色信号或R、G和B图像信号。
具体实施方式
本发明优选实施例的可戴显示系统包括物镜400、光栅410以及目镜系统420，如图4所示。
物镜400是用于实现下面将介绍的显微镜原理的一个元件，并使位于离开焦点处的物体的图像450或信号在其相对侧放大。物镜400可利用支承部件(未示出)而沿与信号传播方向相同的方向运动。物镜400的运动用于调节例如根据本发明实施例的输入图像信号的放大级。该物镜400的运动能够通过用户而人工进行，或者利用某些控制单元(未示出)而自动进行。
光栅410安装在波导管420的表面上，并以预定角度折射通过物镜400放大的图像信号。然后，图像信号输入到波导管420内。光栅410包括预先刻出的图形，以便根据输入图像信号的波长来确定衍射角度。
波导管420起到信号传输媒介的作用，用于在其中传送通过光栅410输入的图像信号。当通过波导管420传送的图像信号与波导管420的内侧面碰撞时，希望使信号在无损失的情况下反射，即理想情况是信号进行全反射。实际上，信号遭受很大损失。因此，为了防止信号损失，高反射率的材料例如铝(AL)涂覆在波导管420的内侧面部分上，信号在该波导管内传送时将与该内侧面部分碰撞。
目镜430安装在波导管420的表面上，并输出通过该波导管420传送的图像信号。目镜是用于实现下面将介绍的显微镜原理的另一元件。当由物镜400放大的图像信号在目镜430的聚焦距离内形成图像时，目镜430向用户放大和显示该图像。为了增大图像的放大级，目镜430的聚焦距离应当减小。为了减小聚焦距离，目镜430的直径应当减小。不过，在本发明的优选实施例中，因为放大级能够利用物镜400来增大或较低，即通过调节物镜400的聚焦距离来增大或较低，因此，目镜430可以有足够大的直径，以保证用户眼睛即出射光瞳的可视性。除了以上述方法移动物镜的位置以改变物镜和目镜的聚焦距离，从而调节放大级，还可以以另一种方法移动波导管，同时使物镜保持固定。
在上述实施例中，光栅可以与波导管集成在一起，或者采用全息照相光学元件(HOE)。目镜也可以与波导管集成在一起，或者采用HOE。
图5表示了在本发明的可戴显示系统中所利用的显微镜结构原理。参考图5并结合图4，在图5中，由显示面板等产生的图像450以参考标记O表示。图像450或物体O布置在离开物镜400的聚焦距离f1的位置处。当图像通过光束照射并投射到物镜400时，物镜放大该图像信号，并在波导管内的预定位置处产生真实图像。在图5中，该真实图像由参考标记I表示。目镜430的位置确定为使得真实图像I产生于该目镜430的聚焦距离0f2内。用户EXP能够通过该物镜430看到放大的真实图像。
图6a至6d表示了本发明的可戴显示系统的另一实施例。图6a中所示的实施例与图4中所示的优选实施例一样，也包括物镜400、光栅410、波导管420和目镜430。图6a中所示实施例的各个元件有着与参考图4所述的相应元件相同的功能。不过，在图6a所示的实施例中，光栅410布置为跨过波导管，即在该波导管的、与图像信号输入的表面相对的表面。图6a所示实施例的光栅为反射类型的光栅，用于以预定角度朝着波导管的内部反射衍射输入的图像信号。同样，在图6a所示实施例中的目镜是反射类型的透镜，用于朝着波导管的外部反射和输出输入的图像信号。
图6b表示了本发明的可戴显示系统的另一实施例，该实施例包括反射类型的光栅410和透射类型的目镜430。
图6c表示了本发明的可戴显示系统的另一实施例，该实施例包括透射类型的光栅410和反射类型的目镜430。图6d表示了本发明的可戴显示系统的另一实施例，该实施例包括透射类型的光栅410和透射类型的目镜430。
尽管在图6a至6d中没有示出，但是高反射率的材料可以涂覆在波导管的整个内侧面上或内侧面的一部分上，尤其是将与信号碰撞的部分处，以便使在波导管内传送的信号进行全反射。
图7a至7d表示了本发明的可戴显示系统的还一实施例。
图7a所示的实施例包括物镜700、波导管710和目镜720。物镜700根据上述显微镜原理而形成，并放大存在于离开它的聚焦距离的位置处的图像。物镜700可利用某些支承部件(未示出)而沿与图像信号的输入方向相同的方向运动。物镜700的运动用于调节例如实施例中的输入图像信号的放大，并可以由用户人工进行或通过某些控制单元(未示出)而自动进行。
波导管710作为信号传输介质，用于传送通过物镜700放大并通过沿预定角度倾斜的侧表面输入的图像信号。当通过波导管710传送的图像信号与波导管710的内表面碰撞时，希望信号在没有任何损失的情况下反射，即理想是进行全反射。实际上，信号将遭受很大损失。因此，为了防止信号损失，高反射率的材料例如铝(未示出)涂覆在波导管710的内侧面部分上，信号在该波导管内传送时将与该内侧面部分碰撞。
目镜720输出通过该波导管710传送的图像信号。目镜根据上述显微镜原理进行布置。当由物镜700放大的图像信号在目镜720的聚焦距离内形成图像时，目镜720向用户放大和显示该图像。为了增大图像的放大级，目镜720的聚焦距离应当减小。为了减小聚焦距离，目镜720的直径应当减小。不过，在图7a所示的实施例中，因为放大级能够利用物镜700来增大或较低，即通过调节物镜700的聚焦距离来增大或较低，因此，目镜720可以有足够大的直径，以保证用户眼睛即出射光瞳的可视性。而且，在图7a所示的实施例中，目镜720是透射类型的目镜，它安装在与图像信号的入射侧面相对的侧面上，并且与入射侧面的倾斜角相同。
图7b表示了另一实施例，该实施例包括与图7a的实施例相同的元件，其中，目镜720以预定角度反射图像信号，然后输出到波导管710外部。
图7c和7d表示了另一实施例，该实施例有透射类型和反射类型的目镜720，该目镜分别安装在与波导管710的侧面相连的一个表面上。
在图7a至7d所示的实施例中，目镜可以与波导管集成在一起，也可以采用全息照相光学元件。
图8表示了本发明的可戴彩色显示系统的优选实施例，用于显示彩色信号或R、G和B图像信号。参考图8，本发明优选实施例的可戴彩色显示系统包括物镜800、光栅810、波导管820和目镜830。红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)图像信号分别由发光二极管(LED)81发出。彩色滤光镜82分别过滤由光源发出的彩色分量的波长，并使该波长的带宽变窄，准直透镜83使过滤的R、G和B信号作为平行射束而输出。
物镜800根据上述显微镜原理来布置，并向相对侧放大离开物镜的聚焦距离的R、G和B图像信号的图像80。物镜800可利用某些支承部件(未示出)而沿与信号输入方向相同的方向运动。物镜800的运动用于调节例如本发明实施例中的输入图像信号的放大级。物镜800的运动可以由用户人工进行，或者利用某些控制单元(未示出)而自动进行。
光栅810安装在波导管820的侧面上，并以预定角度折射通过物镜800放大的R、G和B图像信号，该图像信号输入到波导管420内。光栅410有预先刻出的图形，以便根据相应波长而以彼此不同的角度来折射R、G和B图像信号。各R、G和B图像信号的折射角预先确定成使得各信号在波导管内前进恒定距离。
波导管820起到信号传输媒介的作用，用于沿预定方向传送通过光栅810输入的R、G和B图像信号。当通过波导管820传送的图像信号与波导管820的内侧面碰撞时，希望使信号在无损失的情况下反射，即理想情况是信号进行全反射。实际上，信号遭受很大损失。因此，为了防止信号损失，高反射率的材料例如铝(AL)840涂覆在波导管820的内侧面部分上，信号在该波导管内传送时将与该内侧面部分碰撞。
目镜830安装在波导管820的外表面上，并输出通过该波导管820传送的R、G和B图像信号。目镜830根据前述显微镜原理进行布置。当由物镜800放大的R、G和B图像信号在目镜830的聚焦距离内形成图像时，目镜830向用户放大和显示该图像。为了增大图像的放大级，目镜830的聚焦距离应当减小。为了减小聚焦距离，目镜830的直径应当减小。不过，在本发明的优选实施例中，因为放大级能够利用物镜800的运动来增大或较低，即通过调节物镜800的聚焦距离来增大或较低，因此，目镜830可以有足够大的直径，以保证用户眼睛即出射光瞳的可视性。
在上述实施例中，光栅可以与波导管集成在一起，或者采用全息照相光学元件(HOE)。
在图8所示的实施例中，光栅810是多路类型的光栅，该光栅在单个元件内分别对R、G和B图像信号的彩色分量起作用，以便使R、G和B图像信号分别以预定折射角度进行透射或者反射(当为反射类型时)。
而且，在图9的实施例中的目镜830是多路类型的透镜，用于以彼此不同的角度来折射R、G和B图像信号，因此，R、G和B图像信号在相同的焦点处形成图像。
在上述实施例中，目镜可以与波导管集成在一起，并可以采用全息照相光学元件。
图9表示了包含在图8所示的可戴彩色显示系统中的波导管、光栅和迭片类型的目镜的组件，该可戴彩色显示系统用于显示彩色信号或R、G和B图像信号。在图9所示的组件中，迭片类型的光栅900和迭片类型的目镜910安装在波导管上。
图9中所示的迭片类型的光栅900由层叠的层来形成，各层只根据信号的波长以预定角度折射一个R、G和B图像信号。
图9中所示的迭片类型的目镜910由层叠的层以预定顺序形成，各层只根据信号的波长以预定角度折射一个R、G和B信号，且分别通过相应层折射的R、G和B图像信号会聚在相同的焦点处，以便形成组合图像。
对于光栅和目镜，本发明的可戴彩色显示系统能够通过多路类型和迭片类型的多种组合来形成。而且，本发明的可戴彩色显示系统能够有分别如图6和7所示的结构。
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。
根据本发明，可以利用较小和较轻的元件来形成象眼镜这样的可戴显示系统，它可以通过由折射元件对将显示的图像进行主要放大，并通过目镜对图像进行附加放大而向用户通过高度放大的图像和可视图像。
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 (18)

1.一种可戴的显示系统，用于显示输入的图像信号，包括：
物镜，用于放大输入图像信号；
光栅，用于以预定角度折射由物镜放大的输入图像信号；
波导管，用于传送由光栅折射的输入图像信号；以及
目镜，用于形成与通过波导管传送的图像信号相对应的图像，从而使用户能够看见图像。
2.根据权利要求1所述的可戴显示系统，其中：输入图像信号的放大级可以通过改变物镜和/或目镜的聚焦距离而进行调节。
3.根据权利要求1所述的可戴显示系统，其中：该物镜可沿输入图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
4.根据权利要求1所述的可戴显示系统，其中：该波导管可沿图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
5.根据权利要求1所述的可戴显示系统，其中：该波导管包括高反射材料的涂层板，用于使输入图像信号进行全反射和传输。
6.根据权利要求1所述的可戴显示系统，其中：该光栅是全息照相光学元件。
7.根据权利要求1所述的可戴显示系统，其中：该输入图像信号在离开物镜的聚焦距离的位置处产生。
8.一种可戴的彩色显示系统，用于显示红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)输入图像信号，包括：
物镜，用于放大R、G和B输入图像信号；
光栅，用于以预定角度折射由物镜放大的R、G和B输入图像信号；
波导管，用于传送由光栅折射的R、G和B输入图像信号；以及
目镜，用于形成与通过波导管传送的R、G和B输入图像信号相对应的图像，从而使用户能够看见图像。
9.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：R、G和B输入图像信号的放大级可以通过改变物镜和/或目镜的聚焦距离而进行调节。
10.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该物镜可沿R、G和B输入图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
11.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该波导管可沿R、G和B输入图像信号的输入方向运动，以便调节放大级。
12.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该波导管包括高反射材料的涂层板，用于使R、G和B输入图像信号进行全反射和传输。
13.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该光栅是全息照相光学元件。
14.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该R、G和B输入图像信号在离开物镜的聚焦距离的位置处产生。
15.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该光栅是多路类型光栅，用于根据波长以彼此不同的角度折射R、G和B图像信号，从而使R、G和B输入图像信号能够分别在波导管内运动恒定距离。
16.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该光栅为迭片类型的光栅，它有以预定顺序层叠的层，各层只根据信号的波长以预定角度折射一个R、G和B输入图像信号。
17.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该目镜是多路类型透镜，用于根据波长以彼此不同的角度折射R、G和B图像信号，从而使R、G和B输入图像信号能够分别会聚在相同的焦点处，以便形成组合图像。
18.根据权利要求8所述的可戴显示系统，其中：该目镜为迭片类型的透镜，它有以预定顺序层叠的层，各层只根据波长以预定角度折射一个R、G和B输入图像信号，且分别通过相应层折射的R、G和B图像信号会聚在相同的焦点处，以便形成组合图像。
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