專利名稱：基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于綠色節(jié)能型顯示技術(shù)，具體涉及一種基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
顯示技術(shù)是人們?nèi)粘Ｉ钪忻懿豢煞值囊徊糠?。根?jù)尼爾森公司2010年3月份所做的調(diào)查顯示，中國居民平均每天觀看電視的時(shí)間為2小時(shí)36分鐘；波士頓咨詢公司在2010年7月份公布的調(diào)查結(jié)果顯示，中國網(wǎng)民每天上網(wǎng)總時(shí)長為10億小時(shí)。而看電視、 上網(wǎng)、使用計(jì)算機(jī)辦公等活動(dòng)都必不可少地使用到電視機(jī)或顯示器進(jìn)行顯示。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，并以3人一戶，每戶一臺40寸液晶電視機(jī)(普通CCFL背光的LCD電視機(jī)，平均能耗 180瓦/時(shí))，每臺計(jì)算機(jī)使用19寸IXD顯示器(平均能耗25瓦/時(shí))為參考，可以估算出我國13億人口每天花費(fèi)在顯示上的能耗約為3億千瓦時(shí)，大于三峽電站的發(fā)電量(裝機(jī)容量1820萬千瓦，日均發(fā)電量2. 6億千瓦時(shí))。如果能對現(xiàn)有的顯示技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，大幅節(jié)省顯示的能耗對我國節(jié)能減排工作具有很大的裨益。目前，在看電視、上網(wǎng)、辦公中使用的傳統(tǒng)顯示技術(shù)基本屬于CRT、液晶和等離子體顯示幾大方向。這些技術(shù)都是讓承載圖像信息的光線在顯示屏幕前方整個(gè)空間內(nèi)自由傳播的，而觀察者僅僅接受到了對應(yīng)于眼鏡立體角方向上的光線，而其余部分的光則被白白浪費(fèi)掉了。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示目前節(jié)能效率甚高LED電視，用于背光的功耗約為總功耗的2/3(以 LG42SL90QD為例，全開背光功耗151W，全關(guān)背光功耗54W)，采用傳統(tǒng)CCFL背光的液晶電視， 其背光功耗比LED電視高1倍以上。而傳統(tǒng)的CRT、背投和等離子體顯示器件的整體功耗比傳統(tǒng)CCFL背光電視還高。顯而易見，節(jié)省背光源的功耗對顯示技術(shù)的節(jié)能起到?jīng)Q定性的作用。如圖1所示，從顯示器或者電視機(jī)1上某個(gè)像素發(fā)出來的光線大概能覆蓋前方 2 π立體角內(nèi)的區(qū)間，而這些光線中只有投射入觀察者雙眼的光線對于觀察者而言才是有用的，即圖中Θ1及Θ2的部分。其余角度上的光線對于整個(gè)顯示過程是沒有任何貢獻(xiàn)的。 以家用的情況為例，當(dāng)觀眾在3米的觀察距離外觀看42寸電視，僅有1. 42%的光(42寸液晶電視視角約170度)對觀眾有效，而其余部分則因?yàn)闊o法被觀眾收看而被浪費(fèi)。綜上所述，如果能把無法進(jìn)入眼睛的光節(jié)省下來，僅僅使屏幕發(fā)出的光線恰好進(jìn)入觀察者的雙眼，這樣既能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)顯示方式相同的顯示效果，但又能使光能量的利用效率大為提高，進(jìn)而在很大程度上地降低顯示過程中的能耗，這將對日常的節(jié)能環(huán)保工作提供莫大的幫助。本發(fā)明就是基于這一出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了以一套采用二元光學(xué)為核心技術(shù)的定向節(jié)能型顯示技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決以上問題而提供一種降低顯示能耗、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉
3的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)。從上述本發(fā)明的目的可見，在相同的環(huán)境下人們觀看圖像最舒適的亮度是基本固定的。如能改變現(xiàn)有顯示的漫發(fā)射或散射工作方式，在保證人眼對圖像視覺亮度不變的基礎(chǔ)上，將屏幕顯示的圖像光信號定向傳輸?shù)接^眾的雙眼，而其余方向上不傳播圖像光信號， 就能高效地節(jié)省顯示時(shí)背光的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能顯示。這種方式適合在家用和辦公場合使用。 本發(fā)明采用了二元光學(xué)器件作為關(guān)鍵部件，既可以減少核心部件——投影屏幕的厚度，又具有廉價(jià)可采用光刻、電子刻蝕、壓模等方式大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢，便于推廣。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其包括顯示單元、光學(xué)單元、投影屏幕及調(diào)節(jié)裝置，顯示單元傳輸圖像到光學(xué)單元，光學(xué)單元將圖像光信號投影到投影屏幕，投影屏幕將圖像光信號定向反射到觀眾的雙眼處成像，調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)光學(xué)單元的圖像光信號的投影方向及投影位置。投影屏幕包括支架及設(shè)于支架上的菲涅爾透鏡、反射鏡、機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，菲涅爾透鏡與反射鏡平行設(shè)置，機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)反射鏡與菲涅爾透鏡之間的距離，圖像光信號從菲涅爾透鏡的前方入射，透過菲涅爾透鏡在反射鏡的表面反射，再經(jīng)過菲涅爾透鏡后出射。反射鏡為平面、球面或非球面反射鏡；該光學(xué)單元還包括用于減少色散的消色散光學(xué)元件。該調(diào)節(jié)裝置包括導(dǎo)軌、設(shè)于導(dǎo)軌上的云臺及用于控制云臺轉(zhuǎn)動(dòng)角度的電機(jī)，該光學(xué)單元設(shè)于云臺上。該調(diào)節(jié)裝置還包括設(shè)于光學(xué)單元處的調(diào)焦圈及用于控制調(diào)焦圈的馬達(dá)，調(diào)焦圈用于改變光學(xué)單元的焦面位置。顯示單元由照明光源和圖像顯示器件構(gòu)成，圖像顯示器件為DMD、SLM或LC0S。光學(xué)單元為投影鏡頭。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
本發(fā)明利用二元光學(xué)元件作為顯示屏幕的核心部件，并配合相應(yīng)設(shè)計(jì)的光學(xué)單元實(shí)現(xiàn)對圖像光信號傳播方向的操控，使得圖像的光信號僅投影到觀眾雙目的范圍內(nèi)，其余方向上并沒有光能量的傳播，在既保證觀眾能收看到圖像，達(dá)到顯示的目的的同時(shí)，又極大地減少顯示時(shí)所需要的背光能量，相應(yīng)地會降低顯示的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的顯示器件的工作原理圖2為本發(fā)明的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)原理圖； 圖3為投影屏幕的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖像投影方向(橫向)的控制原理圖； 圖5為圖像(軸向方向)焦面的控制原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明是利用投影作為顯示手段，并結(jié)合二元光學(xué)器件作為圖像光信號定向傳輸關(guān)鍵器件的節(jié)能型顯示技術(shù)。目前，主流的顯示手段如CRT、背投顯示、液晶顯示、等離子體顯示等都是漫反射型的顯示方案，即圖像光信號在屏幕前方2 π立體角內(nèi)的空間中傳播， 但是全部傳輸?shù)墓饽芰恐兄挥羞M(jìn)入觀眾雙眼的部分才能對觀眾起作用，而其余絕大部分的光能量因?yàn)闆]有進(jìn)入觀眾的眼睛被白白浪費(fèi)了?？梢娙绻芸刂茍D像光信號傳輸?shù)姆较颍?恰好僅能進(jìn)入觀眾的雙眼就可以減少顯示時(shí)所需要的光能量，相應(yīng)地會降低顯示的能耗， 實(shí)現(xiàn)節(jié)能。因此，我們設(shè)計(jì)了一種在投影基礎(chǔ)上，利用二元光學(xué)器件作為關(guān)鍵部件，并結(jié)合相應(yīng)的光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由DMD、LC0S或SLM發(fā)出的圖像光信號定向傳輸?shù)接^眾的雙眼。因?yàn)槿搜塾^看圖像時(shí)僅需極少的能量，所以該系統(tǒng)能很大程度上降低顯示的功耗。由此，本發(fā)明公開了一種基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，如圖2至圖5所示，其包括顯示單元、光學(xué)單元、投影屏幕及調(diào)節(jié)裝置，顯示單元傳輸圖像到光學(xué)單元，光學(xué)單元將圖像光信號投影到投影屏幕，投影屏幕將圖像光信號定向反射到觀眾的雙眼處成像，調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)光學(xué)單元的圖像光信號的投影方向及投影位置。對光學(xué)單元和投影屏幕的光學(xué)參數(shù)以及它們之間的距離進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，可以讓圖像光信號投影到觀眾的雙眼處成像，且像的大小恰好與雙目的尺寸一致，或略大約雙目的尺寸，這樣可以有一定的視覺范圍的寬容度。如圖3所示，投影屏幕包括支架8及設(shè)于支架8上的菲涅爾透鏡2、反射鏡3、機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)4，菲涅爾透鏡2與反射鏡3平行設(shè)置，機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)4用于調(diào)節(jié)反射鏡3與菲涅爾透鏡2之間的距離，圖像光信號從菲涅爾透鏡2的前方入射，透過菲涅爾透鏡2在反射鏡 3的表面反射，再經(jīng)過菲涅爾透鏡2后出射。進(jìn)一步地，反射鏡3為平面反射鏡或球面反射鏡。其中，菲涅爾透鏡2和反射鏡3的焦距需與光學(xué)單元的參數(shù)相匹配。由于屏幕使用了菲涅爾透鏡，所以厚度會略薄于目前普通液晶電視或顯示器。進(jìn)一步地，因?yàn)橥队捌聊皇褂梅颇鶢柾哥R的緣故，會引入一定的色散，所以在光學(xué)單元中可優(yōu)化加入消色散光學(xué)元件與投影屏幕中的菲涅爾透鏡匹配，減少色散。如圖4所示，該調(diào)節(jié)裝置包括導(dǎo)軌6、設(shè)于導(dǎo)軌6上的云臺5及用于控制云臺5轉(zhuǎn)動(dòng)角度的電機(jī)，該光學(xué)單元設(shè)于云臺5上。云臺5可以在導(dǎo)軌6上移動(dòng)，云臺5通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角的改變及云臺5在導(dǎo)軌6上的移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)投影方向的控制，恰好投向人眼的方向。如圖5所示，該調(diào)節(jié)裝置還包括設(shè)于光學(xué)單元處的調(diào)焦圈及用于控制調(diào)焦圈的馬達(dá)，調(diào)焦圈用于改變光學(xué)單元的焦面位置。觀眾的位置變化除了橫向的移動(dòng)外，觀眾距離屏幕的位置也會改變。要想觀眾在任意距離上都能看清圖像需要調(diào)節(jié)光學(xué)單元上的調(diào)焦圈。 這個(gè)調(diào)節(jié)圈可以通過馬達(dá)來轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)單元焦面位置的改變，使得觀眾位置不管如何改變都能看到清晰的圖像。進(jìn)一步地，顯示單元由照明光源和圖像顯示器件7構(gòu)成，圖像顯示器件7為DMD、 SLM 或 LCOS。
權(quán)利要求
1.一種基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括顯示單元、光學(xué)單元、投影屏幕及調(diào)節(jié)裝置，顯示單元傳輸圖像到光學(xué)單元，光學(xué)單元將圖像光信號投影到投影屏幕， 投影屏幕將圖像光信號定向反射到觀眾的雙眼處成像，調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)光學(xué)單元的圖像光信號的投影方向及投影位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于投影屏幕包括支架及設(shè)于支架上的菲涅爾透鏡、反射鏡、機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，菲涅爾透鏡與反射鏡平行設(shè)置，機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)反射鏡與菲涅爾透鏡之間的距離，圖像光信號從菲涅爾透鏡的前方入射，透過菲涅爾透鏡在反射鏡的表面反射，再經(jīng)過菲涅爾透鏡后出射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于反射鏡為平面、球面或非球面反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)單元還包括用于減少色散的消色散光學(xué)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于該調(diào)節(jié)裝置包括導(dǎo)軌、設(shè)于導(dǎo)軌上的云臺及用于控制云臺轉(zhuǎn)動(dòng)角度的電機(jī)，該光學(xué)單元設(shè)于云臺上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于該調(diào)節(jié)裝置還包括設(shè)于光學(xué)單元處的調(diào)焦圈及用于控制調(diào)焦圈的馬達(dá)，調(diào)焦圈用于改變光學(xué)單元的焦面位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于顯示單元由照明光源和圖像顯示器件構(gòu)成，圖像顯示器件為DMD、SLM或LC0S。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)單元為投影鏡頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于二元光學(xué)的節(jié)能型顯示系統(tǒng)，其包括顯示單元、光學(xué)單元、投影屏幕及調(diào)節(jié)裝置，顯示單元傳輸圖像到光學(xué)單元，光學(xué)單元將圖像光信號投影到投影屏幕，投影屏幕將圖像光信號定向反射到觀眾的雙眼處成像，調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)光學(xué)單元的圖像光信號的投影方向及投影位置。本發(fā)明具備降低顯示能耗、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G03B21/14GK102213902SQ20111014617
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者周延桂, 周建英, 彼得克雷布斯, 王嘉輝, 謝向生 申請人:中山大學(xué)