基于lcos 的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)，其中：由顯示控制器、LCOS顯示芯片、液晶盒和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數(shù)字視頻信號、數(shù)字驅(qū)動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅(qū)動像素控制液晶盒輸出光學(xué)圖像，由光學(xué)系統(tǒng)投影到人眼視網(wǎng)膜，在人眼前方虛擬成像。其結(jié)構(gòu)緊湊，在眼前呈現(xiàn)放大的虛像，虛像亮度高，色彩豐富，清晰度高，不僅能夠接收普通電視節(jié)目、自動播放Ｕ盤中高清影像、演示PPT?文檔，具備上網(wǎng)，瀏覽網(wǎng)頁，通過虛擬化方式共享資源，完美融合云計算，輕松實現(xiàn)資源的獲取和分享。同時，還可下提供網(wǎng)絡(luò)搜索、IP?電視、視頻點播、數(shù)字音樂、網(wǎng)絡(luò)新聞、網(wǎng)絡(luò)視頻電話等各種應(yīng)用服務(wù)。
【專利說明】基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于投影技術(shù)，顯示技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，人體工程學(xué)，體感交互技術(shù)多學(xué)科的結(jié)合【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)，在人眼前方虛擬成像，不僅能夠接收普通電視節(jié)目、自動播放U盤中高清影像、演示PPT文檔，具備上網(wǎng)，瀏覽網(wǎng)頁，通過虛擬化方式共享資源，完美融合云計算，輕松實現(xiàn)資源的獲取和分享。同時，還可下提供網(wǎng)絡(luò)搜索、IP電視、視頻點播、數(shù)字音樂、網(wǎng)絡(luò)新聞、網(wǎng)絡(luò)視頻電話等各種應(yīng)用服務(wù)。
【背景技術(shù)】
[0002]早在1960年前后，第一代的頭戴顯示器就開始出現(xiàn)了，頭戴顯示器，和傳統(tǒng)的顯示器相比，頭戴顯示器的外形一般表現(xiàn)為頭盔的模式，在顯示技術(shù)上，頭戴顯示器和普通的顯示器也有所差別。普通顯示器是利用面板成像，而頭戴顯示器的顯示模式大體分為兩種:一種利用體積微小的面板成像，包括IXD，LCOS, OLED等面板，然后將影像投射到人的眼睛之中。另一種則是激光掃描顯示技術(shù)，這種技術(shù)是通過微電子機械系統(tǒng)直接把信息“寫”在視網(wǎng)膜上。頭戴式顯示設(shè)備本質(zhì)上是一個投影機系統(tǒng)，一個mini的、智能的攜帶式投影顯示產(chǎn)品。
[0003]頭戴顯示器最早應(yīng)用在軍事設(shè)備上，從20世紀90年代開始，很多廠商都開始了頭戴式顯示器民用化的試探。不過當時的主流顯示技術(shù)是CRT，而CRT技術(shù)的典型特點就是體積大，因而試探并不成功，但是隨著LCD技術(shù)的發(fā)展，以及OLED的出現(xiàn)，頭戴式顯示器的開發(fā)被重新拾了起來，朝著更高像素數(shù)的趨勢發(fā)展，對于微顯示這項技術(shù)來說是可行的，隨著支持制造多邊形和自由曲面光學(xué)表面的金剛石車削技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始研究新的自由曲面數(shù)學(xué)描述方法，這使得在設(shè)計緊湊型頭戴顯示器時，使用超薄光學(xué)組合器成為可能。如今頭戴式顯示正朝著嶄新的方向發(fā)展，這與智能手機的崛起有著密不可分的關(guān)系。移動系統(tǒng)和市場的成熟，使得頭戴式顯示器脫離了單純的顯示功能，從而具有了增強顯示的功能。業(yè)內(nèi)人士稱，增強顯示終端將成為第八類媒體(前七類媒體分別是紙媒、唱片、電影、電臺、電視、互聯(lián)網(wǎng)和移動終端)。
[0004]新型的頭戴顯示技術(shù)采用全視透成像技術(shù)，該技術(shù)有三種，都屬于離軸合成器解決方案，索尼采用了一種功能化的全息波導(dǎo)，佳能和奧林巴斯等公司稱其為自由棱鏡。該技術(shù)是有日本佳能的山崎等提出的。該技術(shù)通過一個靈巧的配置，使用全反射實現(xiàn)透視功能；另外蘋果(Apple)、諾基亞、摩托羅拉(Motorola)均儲備有相關(guān)專利。其中，摩托羅拉的專利實際上是臺頭戴式手機；諾基亞的專利是可以當鍵盤用，并能像手鐲一樣戴在腕上的手機，并在2008年進行了展示；2012年4月谷歌公司發(fā)布的一款谷歌眼鏡(GoogleProject Glass),具有和智能手機一樣的功能,可以通過聲音控制拍照，視頻通話和辨明方向以及上網(wǎng)沖浪、處理文字信息和電子郵件等。2012年I月底，美國Silicon MicroDisplay (SMD)公司發(fā)布了一款1080p全高清3D頭戴式顯示器，目前只是在官網(wǎng)上預(yù)先發(fā)售，尚未出現(xiàn)在市場上。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，在眼前呈現(xiàn)放大的虛像，虛像亮度高，色彩豐富，清晰度高的基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)，其特征在于:由顯示控制器、LCOS顯示芯片、液晶盒和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，通過向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數(shù)字視頻信號、數(shù)字驅(qū)動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅(qū)動像素控制液晶盒輸出光學(xué)圖像，由光學(xué)系統(tǒng)投影到人眼視網(wǎng)膜，在人眼前方虛擬成像；
所述顯示控制器包括視頻信號處理器、FPGA控制器和幀緩存構(gòu)成，所述視頻信號處理器將視頻輸入信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過LCOS時序色彩控制或LCOS色彩過濾控制輸出分辨率為數(shù)字視頻信號；FPGA控制器通過串行通信對視頻信號處理器進行系統(tǒng)配置，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行緩存控制，通過對SDRAMl和SDRAM2進行乒乓操作控制；幀緩存是將輸入的一幀數(shù)據(jù)存到一片DDR中，當下一幀到來時，把當前的數(shù)據(jù)存人另一片DDR中，同時將上一幀數(shù)據(jù)中相同顏色的數(shù)據(jù)串行讀出；
所述光學(xué)系統(tǒng)由具有聚光功能的LED燈、準直透鏡、內(nèi)設(shè)PBS光學(xué)薄膜的偏振片構(gòu)成的偏振分光鏡，目鏡、半透半反鏡組成，LED燈作為外光源，其產(chǎn)生的光束通過準直透鏡得到均勻的平行光，再通過偏振片，產(chǎn)生S偏振光，S偏振光經(jīng)過PBS偏振分光膜的反射進入LCOS面板，當液晶顯示為亮態(tài)時S偏振光變成P偏振光，P偏振光透過PBS偏振分光膜，再經(jīng)偏振片、目鏡、半透半反鏡的作用，在人眼前形成幾十寸的虛像。
[0007]所述SDRAMl和SDRAM2進行乒乓操作控制在對LCOS時序色彩控制的數(shù)據(jù)進行處理時，是將來自視頻解碼芯片的彩色圖像信號經(jīng)過位寬變換，每四個時鐘將有四個24 bit彩色信號被變?yōu)?個32 bit的紅、綠、藍單色信號，此時執(zhí)行一次寫FIFO操作，將3個32bit的紅、綠、藍數(shù)據(jù)分別寫入FIF0_R、FIF0_G和FIF0_B;1024個時鐘之后，F(xiàn)IF0_R.FIF0_G和FIF0_B分別有了 256 X 32 bit的單色數(shù)據(jù)，此時FIF0_R向WRITE SDRAM發(fā)出讀請求信號，WRITESDRAM向SDRAM CONTROL發(fā)出寫SDRAM操作指令，首先讀取FIF0_R的數(shù)據(jù)寫入SDRAM的ΒΑΝΚ0，然后讀取FIF0_G的數(shù)據(jù)寫入SDRAM的BANK I，接下來讀取FIF0_B數(shù)據(jù)寫入SDRAM的BANK 2，讀出時，依次把每個Bank中的單色數(shù)據(jù)讀完。
[0008]采用上述技術(shù)方案的有益效果:該基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)具有如下特點:
1.支持不同分辨率和不同刷新率的視頻數(shù)據(jù):采用獨特的編碼技術(shù)對視頻信號進行初始化配置，只需修改對應(yīng)模塊的相應(yīng)參數(shù)值就可以支持不同分辨率和不同刷新率的視頻數(shù)據(jù)，輸出不同的數(shù)字信息及同步信號等，為視頻信號的處理建立了標準的模塊。
[0009]2.FPGA控制器中存在跨時鐘域數(shù)據(jù)傳輸:FPGA控制器中存在跨時鐘域數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，例如，輸入的視頻信號頻率為66.67MHz, DDR2工作頻率為166MHz，輸出的LCOS視頻信號頻率為50MHz.為了解決這個問題，電路在3個時鐘域間分別插入異步FIFO，通過設(shè)置FIFO深度和空滿標志位，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
[0010]3.基于Android 4.0平臺的透視融合顯示系統(tǒng):選用嵌入式處理器和相關(guān)支撐硬件(如，TI的Omap平臺),在此平臺上移植主流的操作系統(tǒng)Android 4.0,開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動和應(yīng)用程序?？梢宰鳛锳ndroid終端，不僅能夠接收普通電視節(jié)目、自動播放U盤中高清影像、演示PPT文檔，還可根據(jù)用戶需求個性化的安裝第三方軟件功能，具備上網(wǎng)，瀏覽網(wǎng)頁，通過虛擬化方式共享資源，完美融合云計算，輕松實現(xiàn)資源的獲取和分享。同時，還可下載Android賣場內(nèi)的各種應(yīng)用軟件和應(yīng)用，提供網(wǎng)絡(luò)搜索、IP電視、視頻點播、數(shù)字音樂、網(wǎng)絡(luò)新聞、網(wǎng)絡(luò)視頻電話等各種應(yīng)用服務(wù)。
[0011]4.引入光學(xué)中繼系統(tǒng)，與目鏡共同構(gòu)成HMD光學(xué)系統(tǒng)HMD不僅要求光學(xué)系統(tǒng)具有大視場、大出瞳直徑和大出瞳距離，同時光學(xué)系統(tǒng)還必須同微顯示器LCOS的尺寸相匹配。對于僅由目鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)中，在視場角一定的情況下，微顯不器的尺寸越小，對應(yīng)的目鏡焦距就越小，否則兩者無法相匹配。如果簡單縮小焦距使其滿足匹配要求，則出瞳直徑和出瞳距離都將大大減小；若兩者仍能滿足HMD要求，則系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相差將變得不能接受。因此，為解決目鏡與小尺寸的LCOS相匹配的問題，引入了中繼系統(tǒng)，與目鏡共同構(gòu)成HMD光學(xué)系統(tǒng)。
[0012]5.用矩形輸出口替代LED時序光源的圓形輸出口，理論和實踐證明:LED時序光源的矩形輸出口的效率比通常使用的腔體型的效率高5倍，所以我們把時序光源的輸出口由圓形改為矩形。通過這樣的改進就可以在同樣功耗的LED點光源條件下大幅提高了顯示亮度。在保持低功耗的前提下，大幅提高照射到LCOS屏上的光強，對改善整個頭盔微顯示的顯示性能有十分重要的作用。
[0013]6.LCOS時序色彩控制:將紅、綠、藍三基色以足夠高的頻率投影到LCOS顯示屏上，通過調(diào)節(jié)各個基色在LCOS顯示屏上的出射量，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，就可以得到CIE1931色域圖中絕大部分的顏色重現(xiàn)范圍，在眼前呈現(xiàn)出豐富多彩的顯示畫面。利用場序彩色技術(shù)實現(xiàn)單片反射式LCOS彩色顯示的原理，經(jīng)過導(dǎo)光板勻光后的R、G、B三基色在控制脈沖的作用下，經(jīng)過PBS分光梭鏡依次被投影到LCOS顯示屏上，通過控制加載在LCOS像素液晶上電壓的大小來調(diào)節(jié)液晶的導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)灰度顯示。通過時間混色，在單片LCOS顯示屏上顯示出彩色視域圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0015]圖1為本發(fā)明基于LCOS時序色彩控制的顯示系統(tǒng)整機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明基于LCOS色彩過濾控制的顯示系統(tǒng)整機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖4為FPGA控制器模塊示意圖。
[0019]圖5為子場分離和SDRAM存儲模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖6為LCOS時序色彩控制原理圖。
[0021]圖7為LCOS色彩過濾控制原理圖。
[0022]圖8用LCOS HMD的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示的基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)，采用LCOS時序色彩控制原理，圖2為采用LCOS色彩過濾控制原理。其由顯示控制器、LCOS顯示芯片、液晶盒和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數(shù)字視頻信號、數(shù)字驅(qū)動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅(qū)動像素控制液晶盒輸出光學(xué)圖像，由光學(xué)系統(tǒng)投影到人眼視網(wǎng)膜，在人眼前方虛擬成像。
[0024]如圖3、4所示，所述顯示控制器包括視頻信號處理器、FPGA控制器和幀緩存構(gòu)成，所述視頻信號處理器將視頻輸入信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過LCOS時序色彩控制或LCOS色彩過濾控制輸出分辨率為數(shù)字視頻信號；FPGA控制器通過串行通信對視頻信號處理器進行系統(tǒng)配置，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行緩存控制，通過對SDRAMl和SDRAM2進行乒乓操作控制；幀緩存是將輸入的一幀數(shù)據(jù)存到一片DDR中，當下一幀到來時，把當前的數(shù)據(jù)存人另一片DDR中，同時將上一幀數(shù)據(jù)中相同顏色的數(shù)據(jù)串行讀出。
[0025]如圖5所示時序色彩控制時，F(xiàn)IF0_R，F(xiàn)IF0_G，F(xiàn)IF0_B為三個位寬32bit，深度512的異步FIFO，分別用來暫存一行經(jīng)過分離的紅、綠、藍單色圖像信號。所述SDRAMl和SDRAM2進行乒乓操作控制是將來自視頻解碼芯片的彩色圖像信號經(jīng)過位寬變換，每四個時鐘將有四個24 bit彩色信號被變?yōu)?個32 bit的紅、綠、藍單色信號，此時執(zhí)行一次寫FIFO操作，將3個32bit的紅、綠、藍數(shù)據(jù)分別寫入FIF0_R、FIF0_G和FIF0_B。1024個時鐘之后.FIF0_R.FIF0_G和FIF0_B分別有了 256 X 32 bit的單色數(shù)據(jù)，此時FIF0_R向WRITE SDRAM發(fā)出讀請求信號，WRITESDRAM向SDRAM CONTROL發(fā)出寫SDRAM操作指令，首先讀取FIF0_R的數(shù)據(jù)寫入SDRAM的ΒΑΝΚ0，然后讀取FIF0_G的數(shù)據(jù)寫入SDRAM的BANKI，接下來讀取FIF0_B數(shù)據(jù)寫入SDRAM的BANK 2，讀出時，依次把每個Bank中的單色數(shù)據(jù)讀完。
[0026]圖6為LCOS時序色彩控制原理圖，將紅、綠、藍三基色以足夠高的頻率投影到LCOS顯示屏上，通過調(diào)節(jié)各個基色在LCOS顯示屏上的出射量，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，就可以得到CIE1931色域圖中絕大部分的顏色重現(xiàn)范圍，在眼前呈現(xiàn)出豐富多彩的顯示畫面。利用場序彩色技術(shù)實現(xiàn)單片反射式LCOS彩色顯示的原理，經(jīng)過導(dǎo)光板勻光后的R、G、B三基色在控制脈沖的作用下，經(jīng)過PBS分光梭鏡依次被投影到LCOS顯示屏上，通過控制加載在LCOS像素液晶上電壓的大小來調(diào)節(jié)液晶的導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)灰度顯示，通過時間混色，在單片LCOS顯示屏上顯示出彩色視域圖像。
[0027]圖7為LCOS色彩過濾控制原理圖，采用白光分光技術(shù)，利用人眼空間細節(jié)分辨率差的生理特性，將處于同一平面的三種基色光靠近，只要三個基色光點足夠小且充分近，人眼在離開一定距離處觀看，感到的是三種基色光混合后所具有的顏色，這種混色方式犧牲了顯示屏的空間分辨率。
[0028]如圖8所述光學(xué)系統(tǒng)由具有聚光功能的LED燈、準直透鏡、內(nèi)設(shè)PBS光學(xué)薄膜的偏振片構(gòu)成的偏振分光鏡，目鏡、半透半反鏡組成，LED燈作為外光源，其產(chǎn)生的光束通過準直透鏡得到均勻的平行光，再通過偏振片，產(chǎn)生S偏振光，S偏振光經(jīng)過PBS偏振分光膜的反射進入LCOS面板，當液晶顯示為亮態(tài)時S偏振光變成P偏振光，P偏振光透過PBS偏振分光膜。再經(jīng)偏振片、目鏡、半透半反鏡的作用，在人眼前形成幾十寸的虛像。
【權(quán)利要求】
1.一種基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)，其特征在于:由顯示控制器、LCOS顯示芯片、液晶盒和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數(shù)字視頻信號、數(shù)字驅(qū)動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅(qū)動像素控制液晶盒輸出光學(xué)圖像，由光學(xué)系統(tǒng)投影到人眼視網(wǎng)膜，在人眼前方虛擬成像； 所述顯示控制器包括視頻信號處理器、FPGA控制器和幀緩存構(gòu)成，所述視頻信號處理器將視頻輸入信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過LCOS時序色彩控制或LCOS色彩過濾控制輸出分辨率為數(shù)字視頻信號；FPGA控制器通過串行通信對視頻信號處理器進行系統(tǒng)配置，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行緩存控制，通過對SDRAMl和SDRAM2進行乒乓操作控制；幀緩存是將輸入的一幀數(shù)據(jù)存到一片DDR中，當下一幀到來時，把當前的數(shù)據(jù)存人另一片DDR中，同時將上一幀數(shù)據(jù)中相同顏色的數(shù)據(jù)串行讀出； 所述光學(xué)系統(tǒng)由具有聚光功能的LED燈、準直透鏡、內(nèi)設(shè)PBS光學(xué)薄膜的偏振片構(gòu)成的偏振分光鏡，目鏡、半透半反鏡組成，LED燈作為外光源，其產(chǎn)生的光束通過準直透鏡得到均勻的平行光，再通過偏振片，產(chǎn)生S偏振光，S偏振光經(jīng)過PBS偏振分光膜的反射進入LCOS面板，當液晶顯示為亮態(tài)時S偏振光變成P偏振光，P偏振光透過PBS偏振分光膜，再經(jīng)偏振片、目鏡、半透半反鏡的作用，在人眼前形成幾十寸的虛像。
2.如權(quán)利要求1所述的基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述SDRAMl和SDRAM2進行乒乓操作控制在對LCOS時序色彩控制的數(shù)據(jù)進行處理時，每四個時鐘將有四個24 bit彩色信號被變?yōu)?個32 bit的紅、綠、藍單色信號，此時執(zhí)行一次寫FIFO操作，將3個32bit的紅、綠、藍數(shù)據(jù)分別寫入FIF0_R、FIF0_G和FIF0_B;1024個時鐘之后，F(xiàn)IF0_R.FIF0_G和FIF0_B分別有了 256 X 32 bit的單色數(shù)據(jù)，此時FIF0_R向WRITE SDRAM發(fā)出讀請求信號，WRITESDRAM向SDRAM CONTROL發(fā)出寫SDRAM操作指令，首先讀取FIF0_R的數(shù)據(jù)寫入SDRAM的ΒΑΝΚ0，然后讀取FIF0_G的數(shù)據(jù)寫入SDRAM的BANKI，接下來讀取FIF0_B數(shù)據(jù)寫入SDRAM的BANK 2，讀出時，依次把每個Bank中的單色數(shù)據(jù)讀完。
【文檔編號】H04N9/31GK103475885SQ201310357802
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】杜輝, 杜一鳴 申請人:杜輝