专利名称：基于二元光学的节能型显示系统的制作方法
技术领域：
本发明属于绿色节能型显示技术，具体涉及一种基于二元光学的节能型显示系统。
背景技术：
显示技术是人们日常生活中密不可分的一部分。根据尼尔森公司2010年3月份所做的调查显示，中国居民平均每天观看电视的时间为2小时36分钟；波士顿咨询公司在2010年7月份公布的调查结果显示，中国网民每天上网总时长为10亿小时。而看电视、 上网、使用计算机办公等活动都必不可少地使用到电视机或显示器进行显示。根据上述的数据，并以3人一户，每户一台40寸液晶电视机(普通CCFL背光的LCD电视机，平均能耗 180瓦/时)，每台计算机使用19寸IXD显示器(平均能耗25瓦/时)为参考，可以估算出我国13亿人口每天花费在显示上的能耗约为3亿千瓦时，大于三峡电站的发电量(装机容量1820万千瓦，日均发电量2. 6亿千瓦时)。如果能对现有的显示技术进行改进，大幅节省显示的能耗对我国节能减排工作具有很大的裨益。目前，在看电视、上网、办公中使用的传统显示技术基本属于CRT、液晶和等离子体显示几大方向。这些技术都是让承载图像信息的光线在显示屏幕前方整个空间内自由传播的，而观察者仅仅接受到了对应于眼镜立体角方向上的光线，而其余部分的光则被白白浪费掉了。根据统计显示目前节能效率甚高LED电视，用于背光的功耗约为总功耗的2/3(以 LG42SL90QD为例，全开背光功耗151W，全关背光功耗54W)，采用传统CCFL背光的液晶电视， 其背光功耗比LED电视高1倍以上。而传统的CRT、背投和等离子体显示器件的整体功耗比传统CCFL背光电视还高。显而易见，节省背光源的功耗对显示技术的节能起到决定性的作用。如图1所示，从显示器或者电视机1上某个像素发出来的光线大概能覆盖前方 2 π立体角内的区间，而这些光线中只有投射入观察者双眼的光线对于观察者而言才是有用的，即图中Θ1及Θ2的部分。其余角度上的光线对于整个显示过程是没有任何贡献的。 以家用的情况为例，当观众在3米的观察距离外观看42寸电视，仅有1. 42%的光(42寸液晶电视视角约170度)对观众有效，而其余部分则因为无法被观众收看而被浪费。综上所述，如果能把无法进入眼睛的光节省下来，仅仅使屏幕发出的光线恰好进入观察者的双眼，这样既能实现与传统显示方式相同的显示效果，但又能使光能量的利用效率大为提高，进而在很大程度上地降低显示过程中的能耗，这将对日常的节能环保工作提供莫大的帮助。本发明就是基于这一出发点设计了以一套采用二元光学为核心技术的定向节能型显示技术。
发明内容
本发明的目的在于解决以上问题而提供一种降低显示能耗、结构简单、成本低廉
3的基于二元光学的节能型显示系统。从上述本发明的目的可见，在相同的环境下人们观看图像最舒适的亮度是基本固定的。如能改变现有显示的漫发射或散射工作方式，在保证人眼对图像视觉亮度不变的基础上，将屏幕显示的图像光信号定向传输到观众的双眼，而其余方向上不传播图像光信号， 就能高效地节省显示时背光的能耗，实现节能显示。这种方式适合在家用和办公场合使用。 本发明采用了二元光学器件作为关键部件，既可以减少核心部件——投影屏幕的厚度，又具有廉价可采用光刻、电子刻蚀、压模等方式大规模生产优势，便于推广。为实现上述目的，本发明的技术方案为一种基于二元光学的节能型显示系统，其包括显示单元、光学单元、投影屏幕及调节装置，显示单元传输图像到光学单元，光学单元将图像光信号投影到投影屏幕，投影屏幕将图像光信号定向反射到观众的双眼处成像，调节装置用于调节光学单元的图像光信号的投影方向及投影位置。投影屏幕包括支架及设于支架上的菲涅尔透镜、反射镜、机械调节结构，菲涅尔透镜与反射镜平行设置，机械调节结构用于调节反射镜与菲涅尔透镜之间的距离，图像光信号从菲涅尔透镜的前方入射，透过菲涅尔透镜在反射镜的表面反射，再经过菲涅尔透镜后出射。反射镜为平面、球面或非球面反射镜；该光学单元还包括用于减少色散的消色散光学元件。该调节装置包括导轨、设于导轨上的云台及用于控制云台转动角度的电机，该光学单元设于云台上。该调节装置还包括设于光学单元处的调焦圈及用于控制调焦圈的马达，调焦圈用于改变光学单元的焦面位置。显示单元由照明光源和图像显示器件构成，图像显示器件为DMD、SLM或LC0S。光学单元为投影镜头。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果
本发明利用二元光学元件作为显示屏幕的核心部件，并配合相应设计的光学单元实现对图像光信号传播方向的操控，使得图像的光信号仅投影到观众双目的范围内，其余方向上并没有光能量的传播，在既保证观众能收看到图像，达到显示的目的的同时，又极大地减少显示时所需要的背光能量，相应地会降低显示的能耗，实现节能。
图1为现有技术的显示器件的工作原理图2为本发明的基于二元光学的节能型显示系统原理图； 图3为投影屏幕的结构示意图； 图4为图像投影方向(横向)的控制原理图； 图5为图像(轴向方向)焦面的控制原理图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细的描述。本发明是利用投影作为显示手段，并结合二元光学器件作为图像光信号定向传输关键器件的节能型显示技术。目前，主流的显示手段如CRT、背投显示、液晶显示、等离子体显示等都是漫反射型的显示方案，即图像光信号在屏幕前方2 π立体角内的空间中传播， 但是全部传输的光能量中只有进入观众双眼的部分才能对观众起作用，而其余绝大部分的光能量因为没有进入观众的眼睛被白白浪费了。可见如果能控制图像光信号传输的方向， 恰好仅能进入观众的双眼就可以减少显示时所需要的光能量，相应地会降低显示的能耗， 实现节能。因此，我们设计了一种在投影基础上，利用二元光学器件作为关键部件，并结合相应的光路系统，实现由DMD、LC0S或SLM发出的图像光信号定向传输到观众的双眼。因为人眼观看图像时仅需极少的能量，所以该系统能很大程度上降低显示的功耗。由此，本发明公开了一种基于二元光学的节能型显示系统，如图2至图5所示，其包括显示单元、光学单元、投影屏幕及调节装置，显示单元传输图像到光学单元，光学单元将图像光信号投影到投影屏幕，投影屏幕将图像光信号定向反射到观众的双眼处成像，调节装置用于调节光学单元的图像光信号的投影方向及投影位置。对光学单元和投影屏幕的光学参数以及它们之间的距离进行匹配设计，可以让图像光信号投影到观众的双眼处成像，且像的大小恰好与双目的尺寸一致，或略大约双目的尺寸，这样可以有一定的视觉范围的宽容度。如图3所示，投影屏幕包括支架8及设于支架8上的菲涅尔透镜2、反射镜3、机械调节结构4，菲涅尔透镜2与反射镜3平行设置，机械调节结构4用于调节反射镜3与菲涅尔透镜2之间的距离，图像光信号从菲涅尔透镜2的前方入射，透过菲涅尔透镜2在反射镜 3的表面反射，再经过菲涅尔透镜2后出射。进一步地，反射镜3为平面反射镜或球面反射镜。其中，菲涅尔透镜2和反射镜3的焦距需与光学单元的参数相匹配。由于屏幕使用了菲涅尔透镜，所以厚度会略薄于目前普通液晶电视或显示器。进一步地，因为投影屏幕使用菲涅尔透镜的缘故，会引入一定的色散，所以在光学单元中可优化加入消色散光学元件与投影屏幕中的菲涅尔透镜匹配，减少色散。如图4所示，该调节装置包括导轨6、设于导轨6上的云台5及用于控制云台5转动角度的电机，该光学单元设于云台5上。云台5可以在导轨6上移动，云台5通过电机控制转角。转角的改变及云台5在导轨6上的移动可以实现投影方向的控制，恰好投向人眼的方向。如图5所示，该调节装置还包括设于光学单元处的调焦圈及用于控制调焦圈的马达，调焦圈用于改变光学单元的焦面位置。观众的位置变化除了横向的移动外，观众距离屏幕的位置也会改变。要想观众在任意距离上都能看清图像需要调节光学单元上的调焦圈。 这个调节圈可以通过马达来转动，实现光学单元焦面位置的改变，使得观众位置不管如何改变都能看到清晰的图像。进一步地，显示单元由照明光源和图像显示器件7构成，图像显示器件7为DMD、 SLM 或 LCOS。
权利要求
1.一种基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于，包括显示单元、光学单元、投影屏幕及调节装置，显示单元传输图像到光学单元，光学单元将图像光信号投影到投影屏幕， 投影屏幕将图像光信号定向反射到观众的双眼处成像，调节装置用于调节光学单元的图像光信号的投影方向及投影位置。
2.根据权利要求1所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于投影屏幕包括支架及设于支架上的菲涅尔透镜、反射镜、机械调节结构，菲涅尔透镜与反射镜平行设置，机械调节结构用于调节反射镜与菲涅尔透镜之间的距离，图像光信号从菲涅尔透镜的前方入射，透过菲涅尔透镜在反射镜的表面反射，再经过菲涅尔透镜后出射。
3.根据权利要求2所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于反射镜为平面、球面或非球面反射镜。
4.根据权利要求2所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于该光学单元还包括用于减少色散的消色散光学元件。
5.根据权利要求1所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于该调节装置包括导轨、设于导轨上的云台及用于控制云台转动角度的电机，该光学单元设于云台上。
6.根据权利要求5所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于该调节装置还包括设于光学单元处的调焦圈及用于控制调焦圈的马达，调焦圈用于改变光学单元的焦面位置。
7.根据权利要求1所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于显示单元由照明光源和图像显示器件构成，图像显示器件为DMD、SLM或LC0S。
8.根据权利要求1所述的基于二元光学的节能型显示系统，其特征在于光学单元为投影镜头。
全文摘要
本发明涉及一种基于二元光学的节能型显示系统，其包括显示单元、光学单元、投影屏幕及调节装置，显示单元传输图像到光学单元，光学单元将图像光信号投影到投影屏幕，投影屏幕将图像光信号定向反射到观众的双眼处成像，调节装置用于调节光学单元的图像光信号的投影方向及投影位置。本发明具备降低显示能耗、结构简单、成本低廉等优点。
文档编号G03B21/14GK102213902SQ20111014617
公开日2011年10月12日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者周延桂, 周建英, 彼得克雷布斯, 王嘉辉, 谢向生 申请人:中山大学