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、液晶盒和光學系統(tǒng)構成，向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數字視頻信號、數字驅動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅動像素控制液晶盒輸出光學圖像，由光學系統(tǒng)投影到人眼視網膜，在人眼前方虛擬成像。其結構緊湊，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，瀏覽網頁，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，還可下提供網絡搜索、IP?電視、視頻點播、數字音樂、網絡新聞、網絡視頻電話等各種應用服務。
【專利說明】基于LCOS的眼鏡型透視融合顯示系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于投影技術，顯示技術，光學技術，人體工程學，體感交互技術多學科的結合【技術領域】，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，瀏覽網頁，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，還可下提供網絡搜索、IP電視、視頻點播、數字音樂、網絡新聞、網絡視頻電話等各種應用服務。
【背景技術】
[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，這種技術是通過微電子機械系統(tǒng)直接把信息“寫”在視網膜上。頭戴式顯示設備本質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品。
[0003]頭戴顯示器最早應用在軍事設備上，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是CRT，而CRT技術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，朝著更高像素數的趨勢發(fā)展，對于微顯示這項技術來說是可行的，隨著支持制造多邊形和自由曲面光學表面的金剛石車削技術的出現(xiàn)，人們開始研究新的自由曲面數學描述方法，這使得在設計緊湊型頭戴顯示器時，使用超薄光學組合器成為可能。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)網和移動終端)。
[0004]新型的頭戴顯示技術采用全視透成像技術，該技術有三種，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，佳能和奧林巴斯等公司稱其為自由棱鏡。該技術是有日本佳能的山崎等提出的。該技術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，目前只是在官網上預先發(fā)售，尚未出現(xiàn)在市場上。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種結構緊湊，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、液晶盒和光學系統(tǒng)構成，通過向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數字視頻信號、數字驅動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅動像素控制液晶盒輸出光學圖像，由光學系統(tǒng)投影到人眼視網膜，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控制器和幀緩存構成，所述視頻信號處理器將視頻輸入信號，經過模數轉換后通過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，并將視頻數據轉并行緩存控制，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據存到一片DDR中，當下一幀到來時，把當前的數據存人另一片DDR中，同時將上一幀數據中相同顏色的數據串行讀出；
所述光學系統(tǒng)由具有聚光功能的LED燈、準直透鏡、內設PBS光學薄膜的偏振片構成的偏振分光鏡，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，產生S偏振光，S偏振光經過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時序色彩控制的數據進行處理時，是將來自視頻解碼芯片的彩色圖像信號經過位寬變換，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、藍數據分別寫入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的單色數據，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的數據寫入SDRAM的ΒΑΝΚ0，然后讀取FIF0_G的數據寫入SDRAM的BANK I，接下來讀取FIF0_B數據寫入SDRAM的BANK 2，讀出時，依次把每個Bank中的單色數據讀完。
[0008]采用上述技術方案的有益效果: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據:采用獨特的編碼技術對視頻信號進行初始化配置，只需修改對應模塊的相應參數值就可以支持不同分辨率和不同刷新率的視頻數據，輸出不同的數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據傳輸:FPGA控制器中存在跨時鐘域數據傳輸的問題，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，通過設置FIFO深度和空滿標志位，保證數據的可靠傳輸。
[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)相應的驅動和應用程序。可以作為Android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，還可根據用戶需求個性化的安裝第三方軟件功能，具備上網，瀏覽網頁，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賣場內的各種應用軟件和應用，提供網絡搜索、IP電視、視頻點播、數字音樂、網絡新聞、網絡視頻電話等各種應用服務。
[0011]4.引入光學中繼系統(tǒng)，與目鏡共同構成HMD光學系統(tǒng)HMD不僅要求光學系統(tǒng)具有大視場、大出瞳直徑和大出瞳距離，同時光學系統(tǒng)還必須同微顯示器LCOS的尺寸相匹配。對于僅由目鏡構成的光學系統(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?。蝗魞烧呷阅軡M足HMD要求，則系統(tǒng)的結構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)，與目鏡共同構成HMD光學系統(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，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。利用場序彩色技術實現(xiàn)單片反射式LCOS彩色顯示的原理，經過導光板勻光后的R、G、B三基色在控制脈沖的作用下，經過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節(jié)液晶的導通狀態(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)整機結構示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明基于LCOS色彩過濾控制的顯示系統(tǒng)整機結構示意圖。
[0017]圖3為系統(tǒng)硬件結構框圖。
[0018]圖4為FPGA控制器模塊示意圖。
[0019]圖5為子場分離和SDRAM存儲模塊結構圖。
[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、液晶盒和光學系統(tǒng)構成，向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數字視頻信號、數字驅動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅動像素控制液晶盒輸出光學圖像，由光學系統(tǒng)投影到人眼視網膜，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控制器和幀緩存構成，所述視頻信號處理器將視頻輸入信號，經過模數轉換后通過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，并將視頻數據轉并行緩存控制，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據存到一片DDR中，當下一幀到來時，把當前的數據存人另一片DDR中，同時將上一幀數據中相同顏色的數據串行讀出。
[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、藍數據分別寫入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的單色數據，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的數據寫入SDRAM的ΒΑΝΚ0，然后讀取FIF0_G的數據寫入SDRAM的BANKI，接下來讀取FIF0_B數據寫入SDRAM的BANK 2，讀出時，依次把每個Bank中的單色數據讀完。
[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，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。利用場序彩色技術實現(xiàn)單片反射式LCOS彩色顯示的原理，經過導光板勻光后的R、G、B三基色在控制脈沖的作用下，經過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節(jié)液晶的導通狀態(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，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所述光學系統(tǒng)由具有聚光功能的LED燈、準直透鏡、內設PBS光學薄膜的偏振片構成的偏振分光鏡，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，產生S偏振光，S偏振光經過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、液晶盒和光學系統(tǒng)構成，向顯示控制器輸入視頻信號，顯示控制器輸出數字視頻信號、數字驅動信號和時鐘信號至LCOS顯示芯片，LCOS顯示芯片驅動像素控制液晶盒輸出光學圖像，由光學系統(tǒng)投影到人眼視網膜，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控制器和幀緩存構成，所述視頻信號處理器將視頻輸入信號，經過模數轉換后通過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，并將視頻數據轉并行緩存控制，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據存到一片DDR中，當下一幀到來時，把當前的數據存人另一片DDR中，同時將上一幀數據中相同顏色的數據串行讀出； 所述光學系統(tǒng)由具有聚光功能的LED燈、準直透鏡、內設PBS光學薄膜的偏振片構成的偏振分光鏡，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，產生S偏振光，S偏振光經過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時序色彩控制的數據進行處理時，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、藍數據分別寫入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的單色數據，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的數據寫入SDRAM的ΒΑΝΚ0，然后讀取FIF0_G的數據寫入SDRAM的BANKI，接下來讀取FIF0_B數據寫入SDRAM的BANK 2，讀出時，依次把每個Bank中的單色數據讀完。
【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)先權日:2013年8月16日
【發(fā)明者】杜輝, 杜一鳴 申請人:杜輝