本發(fā)明涉及一種頭戴式顯示裝置(Head mounted display)，尤其涉及佩戴在使用者的頭部并將以虛擬畫面來提供的信息和外部影像融合而向使用者提供復合影像信息的透視型(See-Through type)頭戴式顯示裝置。

背景技術(shù)：

一般來講，頭戴式顯示裝置(Head Mounted Display，HMD)由佩戴在使用者的頭部的頭戴部、與上述頭戴部結(jié)合并靠近使用者的眼睛而提供影像的近眼顯示器構(gòu)成。上述近眼顯示器通常是以一個至兩個微小平視元件、放大透鏡、以及與其相關(guān)的光學系統(tǒng)來具體實現(xiàn)。

這種頭戴式顯示裝置最近主要用于具體實現(xiàn)軍事、醫(yī)療、以及教育用影像系統(tǒng)和娛樂用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等的影像的用途，最近還應用于家庭用或攜帶用影像裝置。頭戴式顯示裝置還區(qū)分為沉浸式(Immersive type)或透視型(See-Through type)。

頭戴式顯示裝置由于近眼顯示器的圖像以非常小的面積來顯示，因而為了放大圖像而使用放大透鏡使得使用者能夠收視最大限度地大的畫面。然而，若使用這種放大透鏡和光學系統(tǒng)，則必然產(chǎn)生光學畸變(Optical Distortion)。在長時間佩戴頭戴式顯示裝置的情況下，該光學畸變在眼睛引發(fā)嚴重的疲倦感而成為難以長時間佩戴的原因。

尤其，透視型頭戴式顯示裝置由于將通過棱鏡所透視的外部影像和虛擬畫面融合而提供，因此，存在光學畸變現(xiàn)象尤為凸顯的問題。這種光學畸變現(xiàn)象雖然隨光學系統(tǒng)的設計而能夠最小化，但完全消除起來存在困難。另一方面，雖然利用影像處理方法也能夠消除一部分畸變，但在該情況下需要有價格昂貴的硬件構(gòu)成，因而在頭戴式顯示裝置適用起來存在局限性。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：美國公開專利公報第2011-0234584號(2011年09月29日公開)

技術(shù)實現(xiàn)要素：

所要解決的問題

因此，旨在解決前面所述的問題的本發(fā)明的目的在于，提供一種使因光學系統(tǒng)的透 鏡構(gòu)成而產(chǎn)生的光學畸變現(xiàn)象最小化，并進一步提高了佩戴及使用效率的透視型頭戴式顯示裝置。

解決問題方案

根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置，其特征在于，具備：佩戴部，其佩戴在使用者的頭部；殼體，其設置于上述佩戴部且位于與使用者的臉部對應的位置；顯示器，其設置于上述殼體內(nèi)部，且位于與上述使用者的視線方向垂直的位置；以及，光學系統(tǒng)，其設置于上述殼體內(nèi)部，且位于使用者的視線方向，上述光學系統(tǒng)包括設置于靠近上述顯示器的位置的分光棱鏡(Beam splitter prism)、以及設置于上述顯示器與上述分光棱鏡之間的非球面透鏡，上述分光棱鏡包括傾斜面所對應的一對棱鏡、設置于上述一對棱鏡之間的偏振光反射薄膜、設置于上述一對棱鏡下端的曲面鏡、以及設置于上述一對棱鏡與上述曲面鏡之間的偏振片。

本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置，其特征在于，上述非球面透鏡位于與上述顯示器的顯示面相同而與使用者的視線垂直的方向。

在上述殼體內(nèi)部能夠設置運動(Motion)傳感器，上述運動傳感器能夠包括陀螺儀傳感器、磁傳感器(Magnetic sensor)、加速度傳感器，且能夠檢測使用者的頭部動彈。

在上述殼體內(nèi)部能夠設置攝像機，上述攝像機所記錄的影像能夠?qū)崟r成流(Streaming)。為此，本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置其特征在于，上述攝像機設置于靠近使用者的眼睛的位置且所測定的方向與使用者的視場方向相同，從而記錄與進入上述使用者的視場的影像相同的影像。

上述運動傳感器、上述攝像機、以及上述顯示器通過電子電路能夠供電并傳遞信息，且控制上述電子電路的控制板能夠由另外的控制板構(gòu)成。

上述顯示器和上述光學系統(tǒng)能夠包括分別與使用者的雙眼對應的第一顯示器和第一光學系統(tǒng)以及第二顯示器和第二光學系統(tǒng)。

本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置能夠具備向上述第一顯示器和上述第二顯示器提供影像的處理器，并能夠具備向上述處理器提供影像信號的外部源。

上述處理器能夠?qū)纳鲜鐾獠吭此邮盏挠跋裥盘柗指疃蛏鲜龅谝伙@示器和上述第二顯示器提供。

上述佩戴部以眼鏡形態(tài)固定于使用者的臉部，在眼鏡兩腿末端部分結(jié)合有帶子而能夠以包裹上述使用者的頭圍的方式固定，在上述帶子設置有魔術(shù)貼，從而能夠調(diào)節(jié)內(nèi)徑 以使上述帶子適配于上述使用者的頭部大小。

上述殼體進一步具備能夠進行更換的多種大小的鼻子支撐部，該鼻子支撐部能夠選擇最適合于使用者的鼻子高度、寬度、以及形狀的類型而使用。

在上述殼體的前表面能夠具備位于上述使用者的視場方向且設有吸收型偏振薄膜或涂覆有吸收型偏振涂層的窗口。

發(fā)明效果

如前所述，本發(fā)明在通過非球面光學系統(tǒng)而透射提供高分辨率的微型顯示器的影像時，使影像的畸變最小化，從而具有能夠向使用者提供穩(wěn)定且鮮明的影像的優(yōu)點。

另外，本發(fā)明融合通過光學系統(tǒng)而透視的外部影像，從而能夠向使用者提供復合影像信息。

另外，本發(fā)明由于透鏡的一部分使用塑料透鏡且切除透鏡的不必要的上下端部，因而具有使重量最小化的效果。

附圖說明

圖1a和圖1b是根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的立體圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的分解立體圖。

圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置所具備的光學系統(tǒng)的圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的框圖。

圖5是測定了根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置所具備的光學系統(tǒng)的畸變率的曲線圖。

符號說明

100—佩戴部，101—第一眼鏡腿，102—第二眼鏡腿，103—第一帶子，104—第二帶子，200—殼體，201—第一鉸鏈支架，202—第二鉸鏈支架，203—鼻子支撐部，210—前方罩，211—偏振光吸收薄膜，212—偏振光鏡框，213—攝像機窗口，220—后方罩，221—透視窗，230—控制模塊，231—攝像機處理器，232—頭部跟蹤處理器，240—構(gòu)架，250—光學殼體，300—集成模塊，301—主線纜，302—上部罩，303—下部罩，304—集成板，400—顯示模塊，410—第一微型顯示器，420—第二微型顯示器，430—顯示器控制板，440—分光棱鏡，441—第一棱鏡，442—第二棱鏡，443—偏振光反射薄膜，444—曲面鏡，445—偏振片，450—第一非球面透鏡，460—第二非球面透鏡，470—使用者的眼球，500—外部源。

具體實施方式

下面參照附圖詳細說明對于根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的實施例。下面所說明的實施例是為了向本領域普通技術(shù)人員完整地告知發(fā)明的范疇而提供的，本發(fā)明能夠以多種方式具體實現(xiàn)而并不限定于下面所公開的實施例。

各圖中各相同的符號無論在何處也盡可能表示相同的構(gòu)成。在下述說明中出現(xiàn)各個具體特定事項，而這只是為了有助于更為全盤地理解本發(fā)明而提供的，并不是要將本發(fā)明限定在特定的實施方式，應當理解成涵蓋包括在本發(fā)明的思想和技術(shù)范圍內(nèi)的所有變更、等同物以至替代物。而且，在說明本發(fā)明過程中，在判斷為對于相關(guān)的公知功能或構(gòu)成的具體說明有可能使本發(fā)明的要旨不必要地模糊的情況下省略其詳細說明。

第一、第二等用語雖然能夠用于說明多種構(gòu)成要素，但上述各構(gòu)成要素不得由上述各用語所限定。上述各用語僅僅用于使一個構(gòu)成要素區(qū)別于其它構(gòu)成要素的目的。例如，在不逸出本發(fā)明的權(quán)利范圍的情況下第一構(gòu)成要素能夠被命名為第二構(gòu)成要素，與此類似地、第二構(gòu)成要素也能夠被命名為第一構(gòu)成要素。

在提及到某個構(gòu)成要素與另一構(gòu)成要素“連接”或“接合”時，雖然可以理解為與該另一構(gòu)成要素直接連接或接合，但應當理解為兩者之間還能夠存在其它構(gòu)成要素。與此相反，在提及到某個構(gòu)成要素與另一構(gòu)成要素“直接連接”或“直接接合”時，應當理解為兩者之間并不存在其它構(gòu)成要素。

單個的表達除非文脈上明顯地另具其它含義，否則就包括多個表達。在本申請中，“包括”或“具有”等用語應當理解為只是為了指出說明書中所記載的特征、數(shù)字、步驟、動作、構(gòu)成要素、配件或它們的組合存在，并不是預先排除一個或其以上的其它各個特征或數(shù)字、步驟、動作、構(gòu)成要素、配件或它們的組合的存在或附加可能性。

除非另有定義，否則這里所使用的包括技術(shù)或科學用語在內(nèi)的所有用語具有與本領域普通技術(shù)人員所一般理解的含義相同的含義。如在通常使用的詞典中所定義那樣的各用語應當解釋為具有與相關(guān)技術(shù)的文脈中所含的含義一致的含義，除非在本申請中并未清楚地定義，否則就不得解釋成理想的或過度地形式上的含義。

所附的框圖的各框也能夠通過各計算機程序指令(Instruction)而執(zhí)行。這些各計算機程序指令能夠安裝在通用計算機、特殊用計算機或其它可編程的數(shù)據(jù)處理設備的處理器。

為了以特定方式來具體實現(xiàn)功能，這些各計算機程序指令可以存儲在計算機或其它 能夠用作可編程的數(shù)據(jù)處理設備的計算機或可利用或計算機可讀存儲器中。

圖1a和圖1b是圖示了根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的一例的立體圖，如所圖示，根據(jù)本發(fā)明的頭戴式顯示裝置具備佩戴在使用者的頭部的佩戴部100、設置于上述佩戴部100且用于位于使用者的臉部的顯示器的殼體200、以及與上述殼體200連接的集成模塊(Integration module)300。

佩戴部100具備包裹使用者的頭圍的一對眼鏡腿即第一、第二眼鏡腿101、102以及與第一、第二眼鏡腿101、102結(jié)合而包裹使用者的頭部的第一、第二帶子103、104。第一、第二帶子103、104通過附著于一側(cè)面的魔術(shù)貼(velcro)等固定單元而能夠固定，通過箍緊帶子就能夠以適合使用者的頭部大小的方式進行調(diào)節(jié)。

第一、第二眼鏡腿101、102通過第一、第二鉸鏈支架201、202與殼體200結(jié)合。以第一、第二鉸鏈支架201、202連接的結(jié)合部分能夠自如地旋轉(zhuǎn)，且兩側(cè)第一、第二眼鏡腿101、102設計成向殼體200側(cè)折疊從而減少攜帶時的體積。

殼體200呈四方箱體形狀，在其下側(cè)中央部分形成有使用者的鼻子和鼻梁部分所就位的鼻子支撐部203，從而能夠調(diào)節(jié)殼體200的上下高度。

集成模塊300通過主線纜301與殼體200內(nèi)部控制板(control board)連接，且如圖2中所圖示，在上部罩302與下部罩303之間設置有集成板(Integration board)304。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的分解立體圖，以下參照圖2而進一步詳細說明根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置。

如圖2中所圖示，形成外觀的殼體200由前方罩210和后方罩220構(gòu)成而形成整體外觀。在后方罩220的上部正下方具備控制模塊230，該控制模塊230包括用于控制攝像機的攝像機處理器231和用于進行運動感測(sensing)的頭部跟蹤處理器232。在控制模塊230的下部具備構(gòu)架(frame)240。

在構(gòu)架240的下部具備光學殼體250，在上述光學殼體250的上部具備顯示模塊400，顯示模塊400由第一、第二微型顯示器410、420和顯示器控制板430構(gòu)成。第一、第二微型顯示器410、420設置于顯示器控制板430的下端。

在上述光學殼體250的下部設置分光棱鏡(Beam splitter prism)440。在上述顯示模塊400與分光棱鏡440之間設置第一非球面透鏡450和第二非球面透鏡460，第一非球面透鏡450的光軸位于與第一微型顯示器410的中心一致的軸，且第二非球面透鏡 460位于與第二微型顯示器420的中心一致的軸。

殼體200的前方罩210在暴露于外部的部分具備保護分光棱鏡440的偏振光鏡框212，為了減少從外部進入使用者的眼睛的光量，偏振光吸收薄膜211固定于偏振光鏡框212。另外，用于使攝像機的傳感器暴露的攝像機窗口213位于前方罩210上部的中央。而且，殼體200的后方罩220在佩戴在使用者臉部的部分具備用于保護分光棱鏡440的透視窗221。

以相同的構(gòu)成來實施圖2的第一非球面透鏡450和第二非球面透鏡460。因此，通過對于第一非球面透鏡450的實施例的說明就能夠理解第二非球面透鏡460的構(gòu)成。

圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置所具備的光學系統(tǒng)的圖，如所圖示，光學系統(tǒng)包括設置于靠近第一微型顯示器410的位置的非球面透鏡450和分光棱鏡440。分光棱鏡440包括2個棱鏡即第一、第二棱鏡441、442、設置于上述第一、第二棱鏡441、442之間的偏振光反射薄膜443、設置于上述第一、第二棱鏡441、442下端的曲面鏡444、以及具備于上述第一、第二棱鏡441、442與曲面鏡444之間的偏振片445。第一微型顯示器410面的中心與第一非球面透鏡450和曲面鏡444的光軸一致。

分光棱鏡440設置于靠近使用者的臉部的位置，使用者通過第一、第二棱鏡441、442和偏振光反射薄膜443能夠觀察到外部影像。第一微型顯示器410的影像依次通過第一非球面透鏡450、第一棱鏡441、偏振光反射薄膜443、第二棱鏡442、偏振片445、以及曲面鏡444。影像光的一部分通過偏振光反射薄膜，且一部分朝向殼體200前表面部方向反射。

另一方面，到達了曲面鏡444的影像在被反射而依次通過偏振片445和第二棱鏡442之后在偏振光反射薄膜443朝向使用者的眼球470方向反射。根據(jù)上述構(gòu)造，根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置將外部影像和第一微型顯示器410影像同時向使用者提供。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置的框圖，如圖2中所圖示，與第一、第二非球面透鏡450、460一起設置的第一、第二微型顯示器410、420在分光棱鏡440的上部沿與使用者的視線垂直的方向顯示影像。

第一、第二微型顯示器410、420使用1920×1080的高分辨率的微型薄膜顯示裝置。例如，能夠使用有機發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diodes，OLED)或液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)。根據(jù)本發(fā)明的實施例的顯示裝置使用定標器(scaler)而能夠以最小配件來具體實現(xiàn)。

為了進行運動感測而設置于殼體200的內(nèi)部控制模塊230的頭部跟蹤處理器232能夠進行使得畫面也隨使用者的頭部動彈而一起移動的、提供自適應影像的運動跟蹤(Motion tracking)動作。

另一方面，設置于殼體200的內(nèi)部而向第一、第二微型顯示器410、420提供影像的顯示器控制板430還能夠?qū)⒂跋穹指疃虻谝晃⑿惋@示器410和第二微型顯示器420提供。

向顯示器控制板430提供影像信號的外部源(External source)500可另行具備于殼體200的外部。能夠從外部源500向集成模塊300的集成板304傳輸數(shù)據(jù)，且集成板304通過主線纜301向顯示器控制板430傳遞數(shù)據(jù)。此時，外部源500通過如USB(通用串行總線)或HDMI(高清晰度多媒體接口)那樣的有線通信方式或近距離無線通信方式能夠與集成板304進行數(shù)據(jù)傳輸和接收。另外，利用USB或HDMI并通過集成模塊300能夠從外部源500接受用于顯示模塊400和控制模塊230的動作的供電。

圖5是測定了根據(jù)本發(fā)明的透視型頭戴式顯示裝置所具備的光學系統(tǒng)的畸變率的曲線圖，如所圖示的測定曲線圖所示，能夠得到畸變率(Distortion ratio)大致為5％左右的非常低的結(jié)果。另外，第一、第二非球面透鏡450、460均能夠被切除上下部而縮小到第一、第二微型顯示器410、420的光學黑區(qū)(Black area)內(nèi)以能夠提供寬視場(Wide view)。

另外，根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)以提供60°的視場角(Field of View，F(xiàn)OV)的方式構(gòu)成。

另外，根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)能夠使用以塑料材質(zhì)制造的光學系統(tǒng)，如上所述，切除第一、第二非球面透鏡450、460和曲面鏡444的上下部，從而能夠整體上減輕透鏡的重量。

另外，根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)若切除透鏡的上下部，則能夠?qū)⑷菁{各透鏡的光學殼體250的形態(tài)制作成四方形，因此，能夠減小鏡筒的大小，由此能夠縮小殼體的形態(tài)。

以下，對于如前面所述那樣構(gòu)成的根據(jù)本發(fā)明一實施例的透視型頭戴式顯示裝置的作用進行說明。

使用者將頭戴式顯示裝置佩戴在頭部并牢靠地箍緊第一、第二帶子103、104以適配使用者的頭部。另外，調(diào)節(jié)第一、第二眼鏡腿101、102和第一、第二帶子103、104的固定位置而調(diào)節(jié)殼體200的位置。鼻子支撐部203以高度不同的方式來提供，從而使 用者通過更換鼻子支撐部203而能夠調(diào)節(jié)頭戴式顯示器的上下位置。

接著，若第一、第二微型顯示器410、420開始動作，則影像信號從外部源500向集成模塊300傳遞，集成模塊300通過主線纜301向顯示器控制板430提供影像信號。向顯示器控制板430提供的信號可以是分別對于第一微型顯示器410和第二微型顯示器420分割的信號。此時，顯示器控制板430還能夠與第一微型顯示器410和第二微型顯示器420對應地分割影像信號。

若影像信號提供至顯示器控制板430，則顯示器控制板430分別向第一微型顯示器410和第二微型顯示器420輸出提供影像信號。若使用者的頭部在向第一微型顯示器410和第二微型顯示器420提供影像信號期間動彈，則頭部跟蹤處理器232檢測出頭部動彈并向控制模塊230傳遞信號。攝像機處理器231記錄殼體200前方的影像，并向控制模塊230傳遞相應信息。

控制模塊230通過主線纜301向集成板304傳輸所檢測的動彈信號和攝像機影像信號。集成板304以如USB那樣的有線通信方式或近距離無線通信方式向外部源500傳遞信號。外部源500對該動彈信號進行計算而提取與動彈對應的跟蹤畫面之后通過集成模塊300向顯示器控制板430傳輸上述跟蹤畫面。而且，顯示器控制板430向第一微型顯示器410和第二微型顯示器420提供跟蹤影像。另外，外部源500通過集成模塊300向顯示器控制板430傳輸攝像機影像信息而向第一、第二微型顯示器410、420提供攝像機影像。外部源500能夠在所接收的攝像機影像信息追加圖形而向頭戴式顯示器傳輸，從而向使用者提供虛擬圖形或其它信息。

前面所述的根據(jù)本發(fā)明的實施例的透視型頭戴式顯示裝置總共使用4片透鏡和棱鏡，且作為光學系統(tǒng)材料能夠使用玻璃或塑料。尤其，各非球面透鏡和曲面鏡可以切除上下部，從而能夠減少頭戴式顯示裝置的重量。而且，使適用于電路板的各配件緊湊，從而無需使用如控制器那樣的追加裝置也能夠具體實現(xiàn)且分散每一單位面積所集中的重量而具體實現(xiàn)使得使用者能夠感覺更輕。

另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的透視型頭戴式顯示裝置以最少的配件來降低了電阻，另外，在實施例中能夠使用HDMI專用接收器(Receiver)，且利用開關(guān)調(diào)節(jié)方式能夠以3個芯片的電力使3個代表性分辨率動作，從而具體實現(xiàn)了使用最小限度的電力。

另一方面，在本發(fā)明的詳細說明中，雖然以參照了附圖的優(yōu)選實施例為中心進行了描述，但在不逸出本發(fā)明的范圍的限度內(nèi)當然能夠進行各種變形。因此，本發(fā)明的范圍不得局 限于所說明的實施例而定，應由所附的權(quán)利要求書以及與該權(quán)利要求書等同的范圍而定。