CN1413313A - 一种显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种显示设备(1)拥有一个显示一个景像的光子源(20)，其中，用户在不同距离上的点上进行观察，从而产生了对眼睛的调节反应的光模拟。这是由一个把光子形成光束的中间光系统(21)以及其定位旨在会聚光束的可变功率光系统(22)加以实现的。一个控制器(8)控制可变功率光系统(22)，以根据图像像素坐标、强度数据、以及代表所要求的可察觉像素距离的数据，调整光子波阵面曲率。

Description

一种显示设备
引言
发明领域
本发明涉及一种显示设备，该显示设备包括：
一个光子源，用于针对一个源图像辐射光子；该源包括一系列排列在一个表面上的像素；
一个中间光系统，用于引导所辐射的光子；
一个可变功率光系统，用于调整来自中间光系统的光子波阵面的曲率；以及
一个最终光系统，用于以一种不断变化的景像感，把光子从可变功率光系统导向观察源图像的用户的眼睛。
现有技术讨论
序号为WO99/08145(Isis Innovation)的PCT专利说明书描述了这样的一种显示设备。这样的显示设备的操作旨在把源图像展现于用户的眼睛，以致于用户可感知一连串距离中的任何一个距离上的每一源图像像素。对这样的一种显示设备的应用，包括对眼睛的调节反应和立体图像的显示的探查，而且在调节和会聚之间不存在冲突。
对光系统，调整光子波阵面曲率的一个显著的问题是源于所要求的光元件移动的频率和幅度。以60Hz刷新的(非隔行扫描的)1024×768的显示分辨率，可能要求波阵面曲率以47MHz以上加以变化。以较大的幅度按这样的频率平移或旋转光元件的机构是笨重的、昂贵的、以及不可靠的。
可避免高频率平移和旋转问题的光系统是存在的。例如，它们允许反射表面出现高频变形或允许折射表面的折射率的高频变化。然而，目前还存在着与这些问题相关的其它问题，包括：它们的交换速度偏慢--为KHz数量级；它们拥有相当小的直径；它们波阵面变形的方式受到限制；它们拥有有限的光功率；以及它们可能拥有较差的光子传输。
另外一个问题与像素以及它们的波阵面的特性有关。为了实现许多应用(其中的某些以上已经提到过)，显示器应能够光学地模拟眼睛的调节系统。  这不仅要求适当的波阵面曲率，而且还要求适当波长上的足够的光子以及针对每一像素出射光瞳的足够大直径。
另一个问题是由光系统所引入的像差，特别是，如果要求光子源的一个宽的视场时。可针对设备的一个单一的(而不必为多个)配置，使用一个广角镜头系统减少跨越视场的像差。可以使用一个能够改变光功率的传统的“变焦距”镜头系统减少多配置的像差，但这增大了将要加以移动的光元件的质量。一个相关的问题是更复杂的系统的总质量，特别是如果准备把设备用于头置显示器时。
人们已建议，把使用以上所提到的非旋转和非平移光系统的显示设备用于调整波阵面的曲率。然而，它们并不能以实际、可靠、以及高成效比的方式克服以上所提到的问题(特别是交换速度和直径方面的限制)，以便低像差地模拟宽视场、高分辨率的彩色景色，以致于能够光学地模拟用户的调节系统。
发明概述
根据本发明的显示设备包括：
一个光子源，用于为一个源图像辐射光子，该光子源包括一系列排列在一个表面上的像素；
一个中间光系统，用于引导所辐射的光子；
一个可变功率光系统，用于调整来自中间光系统的光子的波阵面曲率；以及
一个最终光系统，用于以一种不断变化的景像感，把光子从可变功率光系统导向观察源图像的用户的眼睛。
其特征在于：
中间光系统包括用于把光子形成光束的装置，每一个光束拥有来自一个单一源像素的光子；
可变功率光系统相对中间光系统定位，以致于光束彼此朝向地会聚；
该设备还包括一个控制器，该控制器包括用于接收源图像像素坐标数据、强度数据、以及代表所要求的可察觉像素距离的数据的装置，并用于生成一个针对可变功率光系统的输出控制信号和一个针对光子源的输出控制信号，以及
可变功率光系统包括用于响应控制信号，动态改变光束的波阵面曲率的装置。
在一个实施例中，控制器包括针对可变功率光系统的一个给定的状态可同时展现以可接受的像差水平加以显示的所有像素的装置。
在另一个实施例中，控制器包括用于对像素展现的顺序进行排序的装置，以致于可以最小化可变功率光系统的状态变化的幅度。
在另一个实施例中，中间光系统包括一个可改变直径的光圈，具有两个平移的自由度，由控制器加以控制。
在又一个实施例中，最终光系统包括一个凹面镜。
在一个实施例中，至少把中间光系统的一部分定位在可变功率光系统之后，以把光束引导为平行的，以致于它是远心的。
在另一个实施例中，中间光系统拥有一个广视场的光子源，包括一个比其物理大小宽的区域。
在一个实施例中，控制器包括用于接收来自一个眼睛跟踪系统的输入的装置，以监视用户的观察方向和调节状态，并用于当生成控制信号时使用该输入。
在另一个实施例中，控制器包括用于接收来自景色合成系统的输入的装置，以估计用户的观察方向和调节状态，并用于当生成控制信号时使用该输入。
在一个实施例中，控制器包括用于接收来自一个波阵面传感器的输入的装置，以监视可变功率光系统的输出，并用于当生成控制信号时使用该输入。
发明详述
附图简述
通过以下参照附图以举例的形式对本发明的某些实施例的描述，将可以对本发明更清楚地加以理解，在这些附图中：
图1是本发明的一个显示设备的系统级的示意图，包括连接于一个光系统的眼睛跟踪、波阵面检测、景色合成、图像合成、以及视频生成系统；
图2是显示设备的一个光示意图；
图3是来自光子源中的两个不同像素的光束的光示意图，其中光束朝一个光圈限制器会聚，并填充该光圈限制器；以及
图4是根据本发明的另一个实施例的最终光系统的光示意图，其中表示了图像点的感知位置。
具体实施例的描述
参照图1，一个显示设备1包括下列数据处理部件以及一个光系统2：
一个眼睛跟踪系统3、
一个景色合成系统4、
一个图像合成系统5、
一个视频生成系统6、以及
一个波阵面检测系统7。
它们与一个控制器8的相接，其中，这些接口又依次与光系统2的部件相接，光系统2包括：
一个光子源20，拥有在一个2维表面中的多个像素，
一个中间光系统，在该实施例中，光束形成光系统21把光子形成为光束，每一个光束拥有来自一个单一像素的光子，
一个可变功率光系统22，光束朝其会聚，以及
一个最终光系统23，用于把光子导入观察源图像的用户的眼睛E。
光子源20包括一个传统的阴极射线管。当经由电磁控制以一个光栅方式扫描的电子束激发像素时，像素在近似球状的波阵面中辐射光子。
光束形成(中间)光系统21包括一个目标子系统21(a)和一个成像子系统21(b)，两者都是消色差双合透镜，可变功率光系统22的每一侧上各一个消色差双合透镜。目标子系统21(a)是这样定位的：其第一主焦点位于光子源20的表面。可变直径和两个平移自由度的光圈限制器24定位在光束形成光系统21之前。限制器24包括一个液晶光系统，具有可控制成透明的或不透明的像素。这控制了流经光束形成光系统21的光束的数量、位置、以及直径。
可变功率光系统22定位在目标子系统21(a)的第二主焦点之前的一段距离dv处，以致于光束可朝其会聚，并填充其入射光瞳，如图3中所示。对距离dv计算如下：
                  dv＝csdvo/(sdo/fo)
其中，fo和sdo分别为目标子系统21(a)的焦距和半径，Sdvo是可变功率光系统22相对于目标子系统21(a)的光轴的半径，sds是光子源20的最大半径，do是从光子源20到目标子系统21(a)的距离，以及c是(sds/do)的一个函数。
可变功率光系统22包括一个微切削加工的可变形的镜子(MMDM)。它是一个在压力下镀有反射镀层的弹性薄膜。在无力施加的情况下，薄膜是平面的。通过一组空间上分布于薄膜之后的传动装置所施加的一个静电力把其变形成各种各样的凹形或凹模式。可变功率光系统22并非只是一个可变焦距的系统。它还可以实现对波阵面曲率的复杂的变形，这将允许其纠正由设备的其它光系统所引发的各类像差。可最小化可变功率光系统22的光轴与目标子系统21(a)和成像子系统21(b)的光轴之间的角度，以减少由于可变功率光系统22的倾斜所引发的像散像差。由于把其定位在光束朝其会聚并在其之后发散的位置处，所以即使一个具有相当小的直径的可变功率光系统22也不一定会限制目标中的视场和光束形成光系统21的成像空间。
成像子系统21(b)拥有正的光功率，并把光束引向最终光系统23之前的焦点处。其定位在可变功率光系统22之后的一段距离(fi-di)处。对距离di计算如下，其中，sdi和fi分别为成像子系统21(b)的半径和焦距，sdvi是相对于成像子系统21(b)的光轴所测的可变功率光系统22的半径：
                   di＝sdvi/(sdi/fi)。
这使得成像子系统21(b)为近似远心的，以致于视场的辐射度和角度的大小不会因可变功率光系统22而明显地改变。
最终光系统23包括一个传统的低像差广视场目镜，用于显微镜、望远镜以及其它观察设备。它提供了图像的一个牛顿视图(其中光通过眼睛的入射光瞳的大部分传播)。把最终光系统23这样地加以定位：当可变功率光系统22处于最大功率状态时，最终光系统23的第一主焦点位于光束焦点的表面(由成像子系统21(b)形成)上。这导致了光束退出最终光系统23，以拥有近似平面状的波阵面，因此，用户所看到的相应的图像像素将在近似无限的距离上。当可变功率光系统22处于最小功率状态时，由成像子系统21(b)所形成的光束焦点的表面位于最终光系统23的第一主焦点之后，这导致光束退出最终光系统23，以拥有高曲率的近似球状的波阵面，因此，由用户的眼睛所看到的相应的图像像素将在很小的距离上。
控制器8拥有来自图像合成系统5的像素坐标、强度、以及所要求的来自景色合成系统4的视距的输入。它向所要同时显示的像素的视频生成系统6生成一个输出，向所要形成的光束的位置和直径的可变光圈限制器24生成一个输出，以及生成一个控制可变功率光系统22的输出以调整光子波阵面的曲率。
使用从一个眼睛跟踪系统3所输入的观察方向和调节状态，控制器8以最小的像差标识和输出用户观察的那些像素。使用景色合成系统4的输入，控制器8以减少的像差输出标识和输出用户最可能观察的那些像素。
由于可变功率光系统22的MMDM薄膜的交换和稳定周期正比于形状变化的幅度，所以控制器8对像素输出的顺序进行排序，以致于针对每一个图像所要求的总的形状变化拥有最小的幅度。
针对在不同距离上的所有像素以及针对不同可变功率光系统22的状态的像差值的一张预先计算好的表，可由控制器8加以使用。如果需要的话，使用这张表可避免耗时的计算和通过插值法对值的估计，控制器8针对可变功率光系统的给定的状态同时标识和输出以可接受的像差水平加以显示的所有像素。
针对在不同距离上的所有像素以及针对不同可变功率光系统22的状态的可变光圈限制器24控制信号值的一张预先计算好的表，也可由控制器8加以使用。如果需要的话，使用这张表，可避免耗时的计算和通过插值法对值的估计，控制器8输出可变光圈限制器24控制信号。
不同可变功率光系统22控制信号值的一张预先计算好的表，可用于控制器8。如果需要的话，使用这张表，可避免耗时的计算和通过插值法对值的估计，控制器8输出可变功率光系统22控制信号。如果来自一个波阵面检测系统7的输入表明它们不能达到所要求的波阵面曲率，那么控制器8相继地修改这些表值。
对本发明1的可选实施例包括如下：
光子源20可以包括各种能够以近似球状的波阵面通过光子的辐射或反射形成一个图像像素表面的视频显示技术，包括：液晶、等离子、发光二极度管、以及数字微型镜设备。光子源20还包括一个具有近似平面状的波阵面(由微电机械系统控制下的镜子，通过一个具有相应折射、绕射、扩散特性的光元件阵列光栅扫描)的单一的光子源，以致于可形成具有近似球面状的波阵面。
并非所有进入眼睛的光子都需要通过光系统2的所有元件传送。分束镜以及其它折射或反射元件可用于把光子沿可选的光路径引导。这些光子可以在一个或多个光子源20上生成。在该情况中，控制器8为每一图像像素标识和输出相应的光路。
目标21(a)和成像21(b)子系统可以包括复杂的光系统，以最小化宽视场上的像差。
多个可变功率光系统22可存在于光路上不同的位置处。可变功率光系统22可以包括一个压电、气动、或机械控制下的可变形的反射表面。可变功率光系统22可以包括一个具有可跨越其表面动态控制折射率的光系统。这有助于对空间延迟的选择，因而有助于对波阵面形状的控制。可以使用电光、声光、光照相、以及其它“固态”的材料。按图2中所示，对这样的可变功率光系统22加以定位，但由于它们不反射，所以它们不弯曲光路。
可对成像子系统21(b)和最终光系统23加以集成，以致于不必形成一个实像表面。最终光系统23可以包括一个离轴的凹面镜，如图4中的一个最终光系统40中所说明的。凹面镜的轴和实像表面可以互相相对地显著倾斜，设想为角A。通过在图像表面和镜子之间的附加的反射或折射元件或通过适当地倾斜光束形成光系统21的元件，可以实现倾斜。
本发明的优点包括：能够通过按适当波长提供足够的光子、以适当的波阵面曲率、以及足够大的出射光瞳，光学模拟调节的能力；较大的出射光瞳还有助于使眼睛与显示器对齐；可变功率光系统22纠正了由设备的其它光系统所引发的像差，这意味着在其它系统中要求不十分复杂的光学部件；具有广视场光子源20的目标子系统21(a)，允许无需特别小和特别密集包装的光子源元件的情况下感知高分辨率的成像；远心成像子系统21(b)允许无需改变场的辐射度或角度大小的情况下改变深度；对可变功率光系统22的定位不会因其相当小的直径限制视场；控制器8补偿了可变功率光系统22的受到了限制的交换速度，从而允许把高分辨率成像以传统视频率加以展现。
本发明不局限于所描述的实施例，而且在结构上和具体的细节上可加以变化。

Claims (11)

1.一种显示设备，包括：
一个光子源(20)，用于针对一个源图像辐射光子，该源包括一系列排列在一个表面上的像素；
一个中间光系统(21)，用于引导所辐射光子；
一个可变功率光系统(22)，用于调整来自中间光系统的光子的波阵面曲率；以及
一个最终光系统(23)，用于以一种不断变化的景像感，把光子从可变功率光系统(22)引导到观察源图像的用户的眼睛；
其特征在于：
中间光系统(21)包括用于把光子形成光束的装置，每一个光束拥有来自一个单一源像素的光子；
可变功率光系统(22)相对于中间光系统定位，以致于光束彼此朝向地会聚；
该设备还包括一个控制器(8)，控制器(8)包括用于接收源图像像素坐标数据、强度数据、以及代表所要求的可察觉像素距离的数据的装置，并用于生成一个针对可变功率光系统(22)的输出控制信号和一个针对光子源(20)的输出控制信号，以及
可变功率光系统(22)包括用于响应控制信号动态改变光束的波阵面曲率的装置。
2.如权利要求1中所要求的一种显示设备，其中，控制器(8)包括针对可变功率光系统的一个给定的状态可同时展现以可接受的像差水平加以显示的所有像素的装置。
3.如权利要求1或2中所要求的一种显示设备，其中，控制器(8)包括用于对像素的展现顺序进行排序的装置，以致于可以最小化可变功率光系统(22)状态变化的幅度。
4.如任何一个先前的权利要求中所要求的一种显示设备，其中，中间光系统包括一个具有两个平移自由度且由控制器(8)加以控制的可变直径光圈(24)。
5.如任何一个先前的权利要求中所要求的一种显示设备，其中，最终光系统(23)包括一个凹面镜(40)。
6.如任何一个先前的权利要求中所要求的一种显示设备，其中，至少把中间光系统(21(b))的一部分定位在可变功率光系统(22)之后，以把光束引导为平行的，以致于它是远心的。
7.如任何一个先前的权利要求中所要求的一种显示设备，其中，中间光系统(21)拥有一个宽视场的光子源(20)，环绕一个比其物理大小宽的区域。
8.如任何一个先前的权利要求中所要求的一个显示设备，其中，控制器(8)包括一个用于接收来自一个用于监视用户的观察方向和调节状态的眼睛跟踪系统3的输入的装置，并用于当生成控制信号时使用该输入。
9.如任何一个先前的权利要求中所要求的一种显示设备，其中，控制器(8)包括用于接收来自一个用于估计用户的观察方向和调节状态的景色合成系统(4)的输入的装置，并用于当生成控制信号时使用该输入。
10.如任何一个先前的权利要求中所要求的一种显示设备，其中，控制器(8)包括用于接收来自一个用于监视可变功率光系统(22)的输出的波阵面检测系统(7)的输入的装置，并用于当生成控制信号时使用上述的输入。
11.一种基本上如参照附图所描述的显示设备。
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