CN201060323Y - 全视角显示装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种能使显示图像视觉上可以涵盖人眼几乎全部视线范围的全视角显示装置。一种全视角显示装置,主要由图像投射源组成,图像投射源光线出射方向上设有光纤面板,光纤面板后端面光线出射方向上,设有能够使观察者看到光纤面板出射端面上清晰、放大的图像的后置光学系统,所述的光纤面板入射端面为平面结构,与图像投射源出射端面相对应,光纤面板出射端面为凹面。本实用新型在不需要移动或转动头部就可以以极大的视角,是非常有效的低成本增大视角的方式。
Description
技术领域
本实用新型公开一种显示装置,特别是一种能使显示图像视觉上可以涵盖人眼几乎全部视线范围的全视角显示装置。
背景技术
众所周知,显示器一般都是在人们面前的一个大致平面的位置,展现输入信号的图像,主要有LCD显示器件、OLED显示器件、LCOS显示器件、FLCOS显示器件、DLP显示器件、光纤显示器件、CRT显示器件、LED显示器件等,这些技术都是在一个有限的平面范围内成像,我们看到的是一幅放在眼前的一块平整的屏幕,视角一般都不大,大约为20°至30°,尽管有些场合,这个屏幕可以做得很大,视角甚至可以达到40°至60°,但依然是在我们面前的一块平整的屏幕。由于人的眼睛视物的习惯,这个平整的屏幕必须离人的眼睛有足够的距离。有些微成像技术可以在人的眼前形成一幅很大的虚像,但从观察者的角度来看,其成像依然是一块和人的眼睛有一定距离的平整的屏幕,屏幕上的图像因为距离人的眼睛远近不同而让人感觉图像与现实世界差别还是很大。人类正常的视角,据测算大约为:水平150°,竖直75°左右,通过转动眼球,加上眼角的余光,水平最大为204°左右,竖直大约为100°左右。只是人眼正常视物所需要的角度仅仅是:水平30°--40°,竖直20°--30°,在此视角之外的视觉信息,人眼很容易忽略,但对亮、暗和活动图像仍然是敏感的,人们对所关注的事情会通过转动头部或身体,面对所关注内容的主体。随着计算机,数字信息的发展,在很多应用场合都开始产生了对全视角屏幕的需求,而现有的显示技术大都是传统的平面成像技术,一个远处的有限大的屏幕很难给人全视角的感受,而即使是立体显示,也存在着还是在人的面前形成的一幅局部的,无法充满全部视角的立体图像,所以,对于立体显示来说,也同样存在着现有技术成像视角不够大的问题,这个问题并不仅仅是扩大屏幕面积就可以解决的问题。
实用新型内容
针对上述提到的现有技术中显示装置存在的视觉范围小,视角小,不能形成全视角立体虚拟图像等缺点,本实用新型提供一种新的全视角显示装置及其制造方法,在图像投射源光线出射方向上设有光纤面板,光纤面板入射方向呈平面,与图像投射源相配合,光纤面板出射方向呈凹面,可以显示入射的图像,为使观察者能够舒适、清晰的观察到该图像,在光纤面板出射方向的后面,有一套光学镜片,可以满足让观察者在很大的视角范围观察到清晰图像的目的。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是:一种全视角显示装置,主要由图像投射源、光纤面板、光学镜片组成,图像投射源光线出射方向上设有光纤面板,光纤面板出射方向上设有一组光学镜片,图像投射源与光纤面板、光学镜片组成一套全视角显示系统,光纤面板入射端面为平面结构,或可以和图像投射源出射表面相贴合的结构,光纤面板出射端面为凹面,该凹面可以为球面或非球面。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括:
所述的图像投射源与光纤面板入射端面之间,可设置能够使图像投射源产生的图像清晰的投射在光纤面板的入射端面上的前置光学系统。
所述的后置光学系统为透镜、透镜组、棱镜或反射镜。
所述的前置光学系统可为透镜、透镜组、棱镜或反射镜。
所述的前置光学系统及后置光学系统采用的光学镜片可为球面镜或非球面镜。
所述的图像投射源可为LCD显示器件、LCOS显示器件、FLCOS显示器件、OLED显示器件、DLP显示器件、光纤显示器件、CRT显示器件、LED显示器件、幻灯机、投影仪或其它可显示平面图像的显示元器件。
所述的显示装置中可设置为一套或相同的两套显示系统。
所述的显示装置采用两套显示系统时,两套显示系统之间设有可调节两套显示装置间距和夹角的调整装置。
本实用新型的有益效果是:本实用新型改变了现有显示方案中,采用平面显示,视角太小的弊端,在不需要移动或转动头部就可以以极大的视角,水平方向大于150°,垂直方向大于75°的角度,观察到大范围的图像,就如正常现实世界一样,这样就可以给人更大的虚拟现实的感受,更大的视觉冲击,提高图像对人的震撼力。采用本实用新型所述的带有凹球面的光纤面板传递图像投射源的图像,得到一个凹球面屏幕,是非常有效的低成本增大视角的方式。
下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型基本原理示意图。
图2为本实用新型成像视角与平面屏幕成像视角大小的比较示意图。
图3为本实用新型成像采用带有可以放大图像功能的光纤面板的示意图。
图4为本实用新型成像采用带有可以缩小图像功能的光纤面板的示意图。
图5为本实用新型成像采用带有前置光学系统的原理示意图。
图6为本实用新型功能示意图(相关光学部件为圆形时,各部件立体分解示意)。
图7为本实用新型功能示意图(相关光学部件为方形时,各部件立体分解示意)。
图8为本实用新型实施例分解状态示意图。
图9为本实用新型单目形式佩带参考示意图。
图10为本实用新型双目形式最简单结构示意图。
图11为本实用新型可调整双目瞳距的机架(即实施例一)结构示意图。
图12为本实用新型可调整双目视线夹角(即实施例二)结构示意图。
图13为本实用新型同时可调整双目视线夹角及瞳距的(即实施例三)结构示意图。
图14为本实用新型头盔式佩带使用参考状态示意图。
图15为本实用新型眼镜式佩带使用参考状态示意图。
图中:101-图像投射源,102-光纤面板,103-后置光学系统,104-眼睛,201第一虚像、202-第二虚像,501-前置光学系统,801-液晶安装座,802-前置光学系统安装座,803-光纤面板安装座,804-后置光学系统安装座,1001-第一连接架,1002-第二连接架,1003-第一固定螺钉,1101-第一右连接架,1102-第一左连接架,1103-第二固定螺钉,1201-第一支点转轴、1203-第二支点转轴,1202-中心轴,1204-第二右连接架,1205-弹性调整支架,1206-第一调整螺钉,1207-第二左连接架,1301-第三连接架,1302-第四连接架,1303-第三固定螺钉,1304-中心转轴,1305-第四固定螺钉。
具体实施方式
本实施例为本实用新型优选实施方式,其它凡其原理与基本结构与本实用新型相同或近似的,均在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型的关键部件是采用一个有特殊形状的屏幕,利用屏幕的特殊形状来达到全视角显示的效果。本实用新型中其关键部件采用光纤面板制成,光纤面板的显示特性是:光纤面板有两个端面,当在光纤面板的一个端面投影图像时,图像的每一个像素都被所感光的光纤或光纤束真实的传递到该光纤或光纤束的另一端,即光纤面板的另一个端面。本实用新型中将光纤面板一个端面设计为平面形,另一个端面设计为凹面形,利用其中的平面端面采集图像,通过光纤传导至另一个端面(即凹面端面),由于该端面呈凹面形,其上成像则会有效增加观察者的视角,使其视角在一定范围上增大,在光纤面板的出光面和人眼之间,采用一个或一组光学镜片,使观察者可以看到清晰的虚拟放大的图像,通过人眼与光纤面板出射光面、光学镜片之间的距离和成像的关系,以及凹面弧度之间的关系,可以计算出人眼能够观察到的图像的视角(具体计算方法,后面结合示意图2,做详细讲解)。本实用新型中的光纤面板的制作原理是:光纤面板是由若干股细小的光纤束烧结而成,每个光纤束又是由若干细小的光纤结合而成,可以形成一个长的光纤棒,把长光纤棒横向切开成薄片,再表面抛光,形成两个平面,就可以作为一种显示器件——光纤面板,在此基础上,再将光纤面板一个端面加工成平面作为入射光面,另一个端面加工成凹面,作为出射光面,此凹面可以是球面或非球面。使用者可将此光纤面板用于所述全视角显示装置。
参看附图1,图1为本实用新型的原理示意图,图中,主要组成部件为图像投射源101和光纤面板102,光纤面板102中A端面呈平面形,为入射光面;光纤面板102中B端面呈凹面形,为出射光面,在光纤面板102的B端面之后为后置光学系统103。图像投射源101与光纤面板102中A端面相对应设置,图像投射源101投射出的图像经过光纤面板102的一个端面(A面)传导至光纤面板102的另一个端面(B端面),人眼睛104可通过后置光学系统103,观察在光纤面板102的B端面上的出射图像,由于光纤面板102的B端面呈凹面形,若观察者的眼睛104在凹面的中间,通过光学镜片103观察时,就可以观察到被放大的一幅虚像,即光纤面板102的B端面实像所对应的虚像就形成了一个凹球面屏幕围绕在人的眼睛104周围,该屏幕的各个点到人瞳孔的距离近似相等,因此,和平面图像相比,曲面图像的视角自然变大了。由于人的舒适观测距离一般为0.4-2.5米之间,后置光学系统103可采用凸透镜、平凸透镜、正弯月形透镜,其表面结构可采用球面镜或非球面镜。后置光学系统103将光纤面板102的B端面实像进行放大,并将图像虚拟到人的舒适观测距离之外,一般为0.4-2.5米。人眼睛104为使用参考状态示意,非本实用新型的部件。
参看图2,为本实用新型成像视角与平面屏幕成像视角大小的比较示意图。图中左上为目前多数微显示产品的成像示意图,即直接采用光学镜片103放大图像投射源101的图像,人眼在104的位置,可以观察到第一虚像202。设K点为图像投射源的高点,α为视角,u为后置光学系统103中心到图像投射源101表面的距离,为物距,v为后置光学系统103中心到虚像202的距离,为像距,左下三角形图为其对应等效几何图形,高度h为K点到水平视线的距离,则:α/2=arctan(h/u)。图2右上部为本实用新型成像示意图,为便于比较说明,采用与等大的图像投射源101,与图像投射源101相同截面积的光纤面板102,K’点为光纤面板102出射面的高点,故,K’点到水平视线的距离h与左图也相同,采用放大倍数及焦距相同的后置光学系统103,则物距和像距与左图中光学系统相同,β为视角。人眼在104位置处可以观测到虚像201。右下三角形为右上图本实用新型结构对应的几何图形。由于光纤面板102出射面为凹面,显然K’点较K点向眼睛方向移近了,根据三角几何关系,β/2=arctan(h/s),显然,因s<u,所以,β>α。由于人眼的常用视角为水平150°---204°,竖直75°--100°,由计算可知,合理的选择光纤面板出射面形状和弧度,以及后置光学系统的参数,就可以得到涵盖人眼全部视角的图像。
前述对比是选取相同的图像投射源,等大截面的光纤面板和相同放大倍数和焦距的光学镜片,得到了采用内凹球面的屏幕可以获得比平面屏幕更大的视角的结论。在实际实施例中,可以采用带有放大入射图像功能的光纤面板,或将图像投射源经过前置光学系统先放大,再投射到光纤面板的入射光面,达到用小面积图像投射源取得大视角的目的。图像投射源的成本是远高于光纤面板的成本的,而曲率很大的球面图像投射源,不仅在技术上要求很高,成本也非常昂贵,故采用本实用新型所述的出射面为凹面的光纤面板传递图像投射源的图像,形成凹面的屏幕的方式,是非常有效的低成本增大视角的方式,该凹面屏幕可以是球面,也可以是非球面。此外,在某些应用上,还可以将面积大的图像投射源投射的图像,通过有缩小图像功能的光纤面板,在光纤面板的出射端面达到全视角观测的目的。
参见图3中上图为采用一种带有放大功能的光纤面板102,其入射面即A端面,其面积小于出射面B端面的剖面面积,其所用光纤束在A端面比较紧凑,在B端面均匀松散,由于一般光纤面板的分辨率远大于普通图像投射源101,光纤面板102入射面的图像相临两个像素在出射面被均匀散开,因此在出射面观察到的图像就是被放大了的图像,其图像质量基本变化不大,一般可以满足观测的需要。由于光纤面板102的出射面B端面为凹面,人眼处在104的位置,通过光学镜片103就可以大视角的观察到虚拟放大的图像。附图4为一种相反的有缩小图像功能的光纤面板的应用方式,其入射面即A端面的面积大于出射面B端面的剖面面积,其所用光纤束在A端面均匀松散,在B端面比较紧凑,因此在出射面B端面观察到的图像就是被缩小了的图像。经过后置光学的作用,人眼也可以观察到全视角的图像。
参考图5,为了使观察者在很近的距离很清晰的观察图像,并且感觉舒适,本实用新型中在图像投射源101和光纤面板102之间增设有一个前置光学系统501。一方面是由于图像投射源101的表面不一定是平面,比如采用带有光学引擎的LCOS液晶显示板时,其液晶表面到光学引擎存在一定距离,出射图像不能在光纤面板102的入射面A端面形成清晰的图像,必须通过前置光学系统501将图像清晰的投射在光纤面板102的入射面A端面,这样,光纤面板的出射面B端面才可以形成清晰的图像。另一方面也为满足眼睛有不同屈光度的观察者都可以观察到清晰的图像,提供了调整的方法。本实用新型中,前置光学系统501可采用透镜、透镜组,在图像投射源不在眼睛观察的视线上时,还可以采用棱镜或反射镜,前述各光学镜片表面结构都可采用球面或非球面结构。
参考图5、图6、图7,本实用新型中,光纤面板102、前置光学系统501、后置光学系统103的轮廓外形不限,可根据具体光学系统的需要,加工成不同的形状,图6示出光纤面板102、前置光学系统501、后置光学系统103的外形为圆形的原理结构示意图,图7示出光纤面板102、前置光学系统501、后置光学系统103的外形为方形的原理结构示意图。其工作原理相同,具体外形形状可根据实际需要设定,如实际中需要圆形观察面,则光纤面板102、前置光学系统501、后置光学系统103的外形相应设计为圆形,如实际中需要方形观察面,则光纤面板102、前置光学系统501、后置光学系统103的外形相应设计为方形。
参看图5、图8,图8为本实用新型实施例单目形式的分解状态示意图,此处图像投射源101采用液晶显示板,该显示装置主要由液晶安装座801、前置光学系统安装座802、光纤面板安装座803、后置光学系统安装座804构成,图像投射源101安装在液晶安装座801内,前置光学系统501安装在前置光学系统安装座802内,光纤面板102安装在光纤面板安装座803内,后置光学系统103安装在后置光学系统安装座804内,图像投射源101、前置光学系统501、光纤面板102、后置光学系统103通过液晶安装座801、前置光学系统安装座802、光纤面板安装座803、后置光学系统安装座804固定配合设置在一起。本实施例中,液晶安装座801、前置光学系统安装座802、光纤面板安装座803、后置光学系统安装座804直接通过螺纹连接在一起。为使图像虚拟成像在0.4m~2.5m之间,满足使用者眼睛可以看到最大视角的清晰图像,同时尽可能舒适,尽可能减轻人的眼睛因长时间观看屏幕产生的疲劳感的要求,前置光学系统501与光纤面板102之间的距离以及光纤面板102与后置光学系统103之间的距离可以通过螺纹来调整,以适合不同人眼睛的屈光度,能广泛适用于各种人群。调整时,只需相对转动液晶安装座801、前置光学系统安装座802、光纤面板安装座803、后置光学系统安装座804,即可调整其间的相对距离。
本实用新型还可以设计为双目观察结构,参看附图5、图8和图10,图10为本实用新型中双目结构最简形式,其中一套图像投射源101、前置光学系统501、光纤面板102、后置光学系统103配合一套液晶安装座801、前置光学系统安装座802、光纤面板安装座803、后置光学系统安装座804构成一套显示系统,另一套显示系统与此相同,图10中将相同的两套显示系统通过第一连接架1001、第二连接架1002连接在一起,两连接架上开有螺钉孔,螺钉孔内设有第一固定螺钉1003,通过第一固定螺钉1003将两套独立的显示系统固定在第一连接架1001、第二连接架1002上。
不同的人眼睛瞳距不同,多数成人的瞳距在61mm-64mm之间,对于双目光学系统,可采用大致固定的瞳距,配合可变视线夹角的设计,一般都可满足绝大多数人的双目瞳距,使佩带者可以观测到最优的图像,本实用新型中提供三种可调瞳距和视线夹角的实施方式,分别叙述如下:
实施方式一:参看附图10、图11,将第二连接架1002变形为两个独立的连接架,分别为第一右连接架1101和第一左连接架1102,将两套独立的显示系统分别固定在相对独立的第一右连接架1101、第一左连接架1102上,第一右连接架1101、第一左连接架1102通过相互啮合的齿条连接在一起,齿条母头上开有固定螺钉孔,固定螺钉孔设有第二固定螺钉1103,使用时,可通过调整相互啮合的齿条啮合位置,来调整两个连接架之间的距离,调整好后拧紧第二固定螺钉1103,将其相互固定即可。
实施例二:参看附图10、图12,将第二连接架1002变形为两个独立的连接架,分别为第二右连接架1204和第二左连接架1207,将两套独立的显示系统分别固定在相对独立的第二右连接架1204和第二左连接架1207上,第二右连接架1204和第二左连接架1207之间,通过中心轴1202连接在一起,第二右连接架1204和第二左连接架1207可绕中心轴1202转动,中心轴1202轴心方向与显示系统两条中心线定位的平面垂直,中心轴1202在轴孔中有足够的活动空间供调整使用。第二右连接架1204和左连接架1207上分别开有支点转轴安装孔,开有同样的支点转轴安装孔的弹性调整支架1205,通过第二支点转轴1203、第一支点转轴1201分别连接在第二右连接架1204、第二左连接架1207上。弹性调整支架1205与中心轴1202轴向垂直方向上开有调整螺钉孔,调整螺钉孔内设有第一调整螺钉1206。当拧紧第一调整螺钉1206时,第一调整螺钉1206使弹性调整支架1205发生形变,推挤第二右连接架1204和第二左连接架1207连接处的中心轴1202位置处,弹性调整支架1205两端拉动第二支点转轴1203和第一支点转轴1201,使第二右连接架1204、第二左连接架1207绕中心轴1202转动,可改变两套显示系统的中心线夹角,同时也改变了观察窗口的距离,即改变了瞳距。
实施例三:参看附图10、图13,将第一连接架1001、第二连接架1002,分别变形为两套的连接架,第三连接架1301、第四连接架1302,将两套独立的显示系统分别固定在相对独立的第三连接架1301、第四连接架1302上,显示系统与连接架之间通过第三固定螺钉1303固定在一起,本实施例中,连接架采用两套,即第三连接架1301和第四连接架1302,第三连接架1301和第四连接架1302分别通过中心转轴1304连接,第三连接架1301和第四连接架1302可沿中心转轴1304转动,中心转轴1304轴心方向与显示系统中心线平行。第三连接架1301和第四连接架1302上分别开有固定螺钉孔,两个固定螺钉孔内分别设有第三固定螺钉1303。调整瞳距时,先将第三固定螺钉1303拧松,转动第三连接架1301和第四连接架1302,使瞳距达到适合宽度,拧紧第三固定螺钉1303即可。本实施例还可调节屈光度,先将四个第四固定螺钉1305拧松,保持液晶安装座801不动,相对转动前置光学系统安装座802,光纤面板安装座803,后置光学系统安装座804,使两套显示系统屈光度满足使用者要求,拧紧四个第四固定螺钉1305即可。
上述提到的本实用新型实施例是针对靠近人眼睛的微显示系统实施的具体实施方式,本实用新型不限于应用在微显示系统中,在普通显示系统,如:电脑显示器、大屏幕显示等均可使用,作为和这些大型显示系统的配合,后置光学系统需要适当调整相应的结构和功能。
本实用新型中的图像投射源101可采用现有技术常见的LCD显示器件,LCOS显示器件,FLCOS显示器件,LED显示器件,OLED显示器件,DLP显示器件,CRT显示器件,LED显示器件,光纤显示器件等,也可采用幻灯机、投影仪或其它可显示平面图像的显示元器件,本实施例中举出的为在微显示系统中的应用,其优选为LCD显示器件,LCOS显示器件,FLCOS显示器件,OLED显示器件,DLP显示器件,光纤显示器件。
本实施例可配合一些固定装置使用,参看附图9、附图14、附图15,附图9为本实用新型单目形式使用状态参考图,用固定带子将本实用新型固定在人眼睛部位。图14为本实用新型头盔式佩带参考图,图15为本实用新型眼镜式结构佩带参考示意图,均是配合固定用装置将本实用新型固定在使用者的眼睛部位使用。
Claims (8)
1.一种全视角显示装置,主要由图像投射源组成,其特征是:所述的图像投射源光线出射方向上设有光纤面板,光纤面板后端面光线出射方向上,设有能够使观察者看到光纤面板出射端面上清晰、放大的图像的后置光学系统,所述的光纤面板入射端面为平面结构,与图像投射源出射端面相对应,光纤面板出射端面为凹面。
2.根据权利要求1所述的全视角显示装置,其特征是:所述的图像投射源与光纤面板入射端面之间,可设置能够使图像投射源产生的图像清晰的投射在光纤面板的入射端面上的前置光学系统。
3.根据权利要求1所述的全视角显示装置,其特征是:所述的后置光学系统为透镜、透镜组、棱镜或反射镜。
4.根据权利要求2所述的全视角显示装置,其特征是:所述的前置光学系统可为透镜、透镜组、棱镜或反射镜。
5.根据权利要求2、3、4所述的全视角显示装置,其特征是:所述的前置光学系统及后置光学系统采用的光学镜片可为球面镜或非球面镜。
6.根据权利要求1或2或3所述的全视角显示装置,其特征是:所述的图像投射源可为LCD显示器件、LCOS显示器件、FLCOS显示器件、OLED显示器件、DLP显示器件、光纤显示器件、CRT显示器件、LED显示器件、幻灯机、投影仪或其它可显示平面图像的显示元器件。
7.根据权利要求1或2或3所述的全视角显示装置,其特征是:所述的显示装置中可设置为一套或相同的两套显示系统。
8.根据权利要求7所述的全视角显示装置,其特征是:所述的显示装置采用两套显示系统时,两套显示系统之间设有可调节两套显示装置间距和夹角的调整装置。
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