CN101246260A - 头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式显示装置，它包括光源、第一光调制装置和第二光调制装置，其中，第一光调制装置以第一调制信息对光源发射的一部分光进行调制，第二光调制装置以不同于第一调制信息的第二调制信息对光源发射的另一部分光进行调制，这两部分光经过调制后沿着互不重合的路径传播，使头戴式显示装置可以为佩戴者提供立体显示。根据本发明的头戴式显示装置结构简单，在保持高度便携性的同时，可以使显示信息保持一定的私密性，还能够进行立体显示，从而提高便携式游戏设备的显示性能。

Description

头戴式显示装置

技术领域

本发明涉及头戴式显示装置，特别涉及能够进行立体图像显示的头戴式显示装置光路结构。

背景技术

随着电子技术的发展，近年来便携式游戏设备得到了很大发展，Xbox、Play Station等系列的游戏机在存储以及计算处理能力等方面已经可以应付复杂大型游戏的需求。但是，出于便携性方面的考虑，这些游戏设备在显示方面还略显不足。虽然它们的分辨率已经可以与普通的台式电脑显示器媲美，但是由于设备整体尺寸的限制，其屏幕(通常是液晶显示屏)不可能有很大的物理尺寸，因此显示效果仍然有限。

为了克服上述缺点，一种解决方案是不使用(或有选择地在某些情况下不使用)尺寸有限的液晶显示屏幕，而给游戏设备配备微型投影装置，将本来要显示在屏幕上的内容投影到游戏者面对的外部，例如房间内壁、机舱内壁或车辆内壁等，从而可以克服显示屏幕大小方面的缺陷。

但是，在某些情况下，上述解决方案也会造成麻烦。例如，在机舱或车辆中，如果有多人同时使用上述投射式游戏设备，则多台设备投影出的图像可能互相重叠和干扰。另外，由于所投影出的内容可以被多人同时看到，所以在显示内容涉及个人隐私的情况下是不适于使用的。

另外，二维的平面图像显示也已经越来越难以满足人们的要求，人们已经开始追求三维立体显示效果。对此，现有便携式电子设备的显示装置就愈显不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种头戴式显示装置，它结构简单，在保持高度便携性的同时，可以使显示信息保持一定的私密性，还能够进行立体显示，从而提高便携式游戏设备的显示性能。

本发明的头戴式显示装置包括光源、第一光调制装置和第二光调制装置，其中，第一光调制装置以第一调制信息对光源发射的一部分光进行调制，第二光调制装置以不同于第一调制信息的第二调制信息对光源发射的另一部分光进行调制，这两部分光经过调制后沿着互不重合的路径传播，使头戴式显示装置可以为佩戴者提供立体显示。

本发明的头戴式显示装置中，上述两部分光可以来自一个光源中的两个单独发光部分，或者来自两个单独的光源，也可以是利用偏振分光组件从一个光源发出的光中分出的两种正交偏振态。所述偏振分光组件可以使用偏振分光棱镜组，其中可以包括若干个偏振分光棱镜，还可以包括波片等偏振态转换器件。

根据本发明的头戴式显示装置，沿着互不重合的路径传播的两部分光可以大致相互平行地进入观看者的双眼，也可以相交于头戴式显示装置外的某个位置，例如观看者手持的书本或观看者外部的墙壁等处，以适应不同的观看需求。

根据本发明的头戴式显示装置，对光进行调制的第一、第二光调制装置优选为彩色硅上液晶(LCOS)器件，它在体积、工艺、成本、能耗等方面都非常适合。彩色硅上液晶器件的滤光功能可以在其封装玻璃上实现，或者通过在彩色硅上液晶器件的象素上直接涂敷各种色彩的染料而实现，也可以通过在彩色硅上液晶器件的象素上镀干涉滤光膜而实现。

根据本发明的头戴式显示装置可以与各种便携式电子设备配用，它解决了现有便携式显示设备在上述私密性和立体显示方面存在的问题，可以实现良好的显示功能。

附图说明

图1示出了根据本发明第一实施例的结构示意图。

图1a示出了根据本发明第一实施例的平面示意图。

图2示出了根据本发明第二实施例的平面示意图。

图3示出了对本发明第一实施例的一种变形。

图4示出了根据本发明第三实施例的平面示意图。

图5示出了根据本发明第四实施例的平面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的一些示例性实施例进行说明，以便更好地理解本发明。在本申请的说明中，相同的标号表示相同的元件。

图1示出了根据本发明第一实施例的结构示意图，图1a是沿进入纸面的方向(图中沿-Z轴方向，即沿Z轴反方向)看去，该结构的平面图。第一实施例的显示装置100可以用于与各种便携式电子设备相连的头盔或眼镜等头戴式结构中。虽然在本申请中以便携式游戏设备作为电子设备的例子，但是应当明白，本发明不仅可以适用于便携式游戏设备，而且对于几乎各种有显示需求的电子设备，包括但不限于电子游戏机、MP4、手提电脑、数码相机、数码摄像机、PDA、手机等，都可以适用。

显示装置100包括光源(未示出)、由第一分光装置110a和第二分光装置110b构成的偏振分光组件、第一光调制装置120a、第二光调制装置120b、反射装置130、第一滤光装置140a和第二滤光装置140b、物镜150a和150b以及目镜160a和160b等。图示的显示装置100可以容纳在头盔或眼镜等头戴式结构的外壳中，或以任何方式与壳体结构连接。

光源(未示出)发射显示装置所用的照明光IL。光源可以是任何体积小、耗能低的发光器件，优选为发光二极管(LED)或LED阵列。光源中还可以包括其他用于对光进行处理的装置或结构，例如用于滤去紫外和红外成分的滤光膜、对反射回光源的光能进行重新利用的结构等。优选地，光源发射的光是非偏振的，或者包括大致相同比例的两种正交偏振态。

第一分光装置110a和第二分光装置110b是偏振分光器件，可以将进入其中的光分为两个正交偏振态，优选为偏振分光棱镜。也可以采用分光板等其他具有类似功能的装置作为第一分光装置110a和第二分光装置110b。二者可以具有相同或相似的类型和尺寸，也可以不同。二者可以通过适当的机构安装在头戴式结构中，所述安装结构还可以具有一定的位置调节功能，以适应佩戴者的观看需要。

第一分光装置110a具有输入面111a、分光面112a、第一输出面113a、第二输出面114a和第三输出面115a。来自光源的照明光进入输入面111a，并传播到分光面112a。在分光面112a处，照明光中的两种正交偏振成分被分开，第一偏振态(用实线表示，例如p偏振态)穿过分光面112a透射，第二偏振态(用虚线表示，例如s偏振态)被分光面112a反射。

穿过分光面112a透射的第一偏振态传播到第一输出面113a处。第一光调制装置120a设在第一输出面113a处，用期望的信息对传播到此的光进行调制。本实施例采用了反射式光路，第一光调制装置120a可以包括例如硅上液晶(LCOS)器件、数字式光处理器(DLP)等，也可以是液晶光阀，优选为硅上液晶面板。在调制装置具有多个调制器件，例如CN1570704A所公开的那样时，还可以包括相同或不同种类上述器件的组合。第一光调制装置中还可以包括具有偏振态选择、反射、折射等功能的光学结构。经过第一光调制装置120a调制的光线，偏振态被转换成与入射到该装置之前的偏振态相互正交，并被反射回分光面112a。因此，光线在分光面112a处发生反射，并从第三输出面115a出射到第一滤光装置140a。

第一光调制装置120a中使用的LCOS面板可以是例如CN2514447Y中公开的彩色LCOS装置，在LCOS的封装玻璃上实现滤光功能(例如彩色滤光片)。不过在头戴式应用场合中使用时，通常投射出的功率无需很大，所以彩色LCOS装置中用于吸收不需要色彩的滤光片可以直接设在象素上也不易被烧坏。当然，也可以在该LCOS上或其附近设置散热结构以进一步确保系统的安全性。可以以各种方式在LCOS中设置滤光片，例如类似于LCD中的处理方式在象素上直接涂敷各种色彩的染料，或者在象素上镀干涉滤光膜来实现滤光功能。

第一光调制装置120a与信号处理部分(未示出)相连。信号处理部分可以采用矩阵控制技术，将象素信号输送到第一光调制装置的对应象素处。信号处理部分可以设在头戴式显示装置中，也可以设在与之相连的便携式游戏设备中。

在第一分光装置的分光面112a处反射的第二偏振态经过第二输出面114a出射，并进入第二分光装置110b的输入面111b。光线接着到达第二分光装置的分光面112b。分光面112b使得到达该处的第二偏振态被反射，朝向第二分光装置的第一输出面113b传播。在本实施例中，光在第二分光装置中从分光面112b传播到第一输出面113b的路径与光在第一分光装置中从分光面112a传播到第一输出面113a的路径大致是相互平行和反向的，在第一分光装置的分光面112a处反射的s偏振态在第二分光装置的分光面112b处仍然会反射而不是透射。

第二光调制装置120b设在第二分光装置的第一输出面113b处，以期望的信息对传播到此的光进行调制。本实施例采用了反射式光路，第二光调制装置120b可以包括例如硅上液晶(LCOS)器件、数字式光处理器(DLP)等，也可以是液晶光阀，优选为硅上液晶面板，更优选为与第一光调制装置120a具有相同的型号规格等。在调制装置具有多个调制器件，例如CN1570704A所公开的那样时，还可以包括相同或不同种类上述器件的组合。第二光调制装置中还可以包括具有偏振态选择、反射、折射等功能的光学结构。经过第二光调制装置120b调制的光线被反射回分光面112b，且其偏振态被转换成与入射到该装置之前的偏振态相互正交。因此，光线在分光面112b处发生透射，并从第三输出面115b出射到反射装置130。

与第一光调制装置120a类似，第二光调制装置120b中使用的LCOS面板也可以是例如CN2514447Y中公开的彩色LCOS装置。可以将彩色LCOS装置中用于吸收不需要色彩的滤光片直接设在象素上或者设在其封装玻璃上，也可以在该LCOS上或其附近设置散热结构以进一步确保系统的安全性。同样可以以各种方式在LCOS中设置滤光片，例如类似于LCD中的处理方式在象素上直接加染料，或者在象素上镀干涉滤光膜。

第二光调制装置120b也可以采用透射式元件(例如透射式液晶光阀)，此时反射装置130布置在第二光调制装置的第一输出面113b以及第二光调制装置120b之后(图1a中它们的左侧)。

第二光调制装置120b也与上述信号处理部分(未示出)相连。信号处理部分例如可以将象素信号输送到第二光调制装置的对应象素处。信号处理部分可以使第二光调制装置120b以与第一光调制装置120a不同的图样对入射光进行调制，从而使经过调制的光具有不同的分布，经过调制的光如下所述分别进入观看者的两眼，从而使观看者可以观看到立体图像。

反射装置130设置成使第二分光装置110b向其输出的光线沿着期望的方向传播并进入第二滤光装置140b。在本实施例中，经反射装置130反射后的光线与从第一分光装置110a的第三输出面115a出射的光线大致平行。但是取决于应用情况(例如随观看者的瞳距大小而调整)，这些光线之间也可以有一定夹角，该夹角通常在0度～约30度之间。反射装置可以是例如相对于光线传播方向以45度角设置的、镀有宽带高反射率膜层的反射镜，或者各种棱镜等，并可以通过适当的机构在头戴式结构中进行安装和调节。

第一滤光装置140a和第二滤光装置140b可以包括例如偏振片，它们分别接收从第一分光装置110a和反射装置130输出的光线，并具有彼此正交的偏振态通过方向，用于滤去残余的不期望偏振态，以改善图像质量。

经过第一滤光装置140a和第二滤光装置140b分别透射的偏振态可以经过设在二者后方的物镜150a、150b和目镜160a、160b进入观看者的眼睛。本发明的头戴式显示装置可以包括调节装置用于对物镜、目镜和/或上述显示结构的位置以及光源的光强等进行调整，以适应不同观看者眼睛的具体需要。物镜和目镜以及相应调节装置的设计可以采用本领域公知的传统方法，因此将不在此进行详细说明。

本发明的头戴式显示装置中采用的是暗场照明方式，不需要很强的光即可实现高对比度，因此对光源的要求可以降低，并且，本实施例中只采用了一个光源以及简单的光路即可实现立体显示，这些都可以减小系统的成本、能耗和体积等。例如，在采用800×600分辨率的彩色LCOS面板作为第一和第二光调制装置的情况下，其大小通常仅为1cm×1cm左右，即使将第一和第二分光装置(例如两个偏振分光棱镜)以及反射装置等的体积计入，也可以轻松地安装在头戴式结构(例如头盔或特制的眼镜等)中。

图2示出了根据本发明第二实施例的平面结构示意图。该结构大体上与第一实施例的结构相似，区别之处在于，在第二实施例中，不是使观看者用目镜160a和160b直接观看所投影的内容，而是使从第一分光装置出射的偏振态以及由反射装置反射的偏振态二者的末段光路以一定夹角投射到头戴式显示装置之外的某个位置(例如观看者手中的书本，或者观看者外部的墙壁等)，观看者可以通过轻便的观看眼镜(类似于观看立体电影时所用的眼镜)来观看立体图像。

第一、第二分光装置以及第一、第二光调制装置的设置可以有各种灵活的方式，只要使得两种偏振态的光能够分别照射到相应的光调制装置并沿预定方向出射即可。下面以图3所示情况为例对第一、第二分光装置的一些示例性不同布置方式进行说明。为简单起见，图3中未示出滤光装置和物镜、目镜。

在图3所示坐标系下，来自光源的照明光沿+X方向进入显示装置300的第一分光装置310a。第一分光装置310a的布局与第一实施例中的第一分光装置110a相同。因此，第一偏振态(例如p偏振态)仍然经过分光面沿+X方向透射，经第一光调制装置调制后改变偏振态并沿-X方向反射回分光面，被分光面沿+Y方向反射离开第一分光装置310a。第二偏振态(例如s偏振态)被分光面沿-Y方向反射并到达第二分光装置310b的分光面。第二分光装置310b的分光面设置成与X轴方向平行并与+Y和-Z轴方向成45度角。因此，对于第一分光装置310a的分光面而言为s偏振态的第二偏振态对于第二分光装置310b的分光面而言却是p偏振态，因此它继续沿-Y方向经过分光面透射并到达第二分光装置的底面处。第二光调制装置即布置在该底面处。p偏振态的光经过第二光调制装置的调制，改变成s偏振态并沿+Y方向反射回第二分光装置310b的分光面，被分光面沿-Z方向反射离开第二分光装置310b，接着由同样平行于X轴方向的反射装置沿+Y方向反射。或者，也可以将第二分光装置310b的分光面设置成与X轴方向平行并与+Y和+Z方向成45度角，在此情况下，反射装置130也相应地设在比第二分光装置310b沿+Z轴方向更远的位置处。

又或者，在图3所示情况下，可以在第一分光装置310a与第二分光装置310b之间设置偏振态转换器件(例如半波片)，使得被第一分光装置310a的分光面反射的偏振态在到达第二分光装置310b的分光面之前，已经改变成与原先正交的偏振态。在此情况下，该偏振态在第二分光装置310b的分光面上仍然发生反射，因此第二光调制装置应当设在第二分光装置310b朝向+Z方向的表面处，反射装置130仍然位于图3所示位置处。

与上述类似地，通过将第二分光装置的分光面方向、第二光调制装置位置、反射装置位置以及必要时设置的偏振态改变装置结合使用，可以以多种方式来实施本发明。这些变形也可以与第二实施例结合使用。

图4示出了根据本发明第三实施例一个较完整结构的平面示意图。其中，发光器件1(例如LED)、使光强度分布均匀的均化装置2(例如光棒)和场镜3共同组成类似于第一实施例中的光源，偏振分光组件由以图示方式布置的三个偏振分光棱镜4-1、4-2和4-3组成。光源发出的光进入第一偏振分光棱镜4-1后，其中两种相互正交的偏振态被分开。一种偏振态(例如p偏振态)穿过第一偏振分光棱镜4-1的分光面行进，进入第二偏振分光棱镜4-2，并穿过第二偏振分光棱镜4-2的分光面继续行进，经过第一光调制装置120a调制后改变偏振态并向左反射，在第二偏振分光棱镜4-2的分光面处向上反射到第一滤光装置140a，并相继经过物镜150a、两个反射器9和目镜160a进入观看者的眼睛。

另一种偏振态(例如s偏振态)在第一偏振分光棱镜4-1的分光面向上反射，进入第三偏振分光棱镜4-3，并在第三偏振分光棱镜4-3的分光面向左反射，经过第二光调制装置120b调制后改变偏振态并向右反射，穿过第三偏振分光棱镜4-3的分光面透射，并穿过四分之一波片6，在反射器7处发生反射，再次穿过四分之一波片6向左行进到第三偏振分光棱镜4-3的分光面。由于穿过偏振分光棱镜4-3的分光面透射的光两次经过四分之一波片6，其偏振态改变成与原先正交，所以在向左行进到第三偏振分光棱镜4-3的分光面时发生反射，向上进入第二滤光装置140b，并相继经过物镜150b、两个反射器9和目镜160b进入观看者的眼睛。通过使第一光调制装置120a和第二光调制装置120b以不同的图像信息对光进行调制，观看者即可看到立体图像。

本实施例中的光路结构，两种偏振态从第一、第二光调制装置到观看者眼睛之间行进的光路长度相等，因此可以使二者之间几乎没有损耗差别，也不必为了使两眼看到的光强均衡而削减某一路光线的强度。这在某些情况下(例如对亮度有一定要求)特别有好处。

在上述各实施例中，均使用了一个光源(尽管其中可以包括多个发光元件)，通过偏振分光组件将其分为两种相互正交的偏振态分别为两个光调制装置提供照明。但是，也可以采用具有两个单独发光部分的光源，各个发光部分分别为光调制装置提供照明，而不必采用上述偏振分光组件。还可以如图5的第四实施例所示，采用两个单独的光源S1和S2，每个光源分别为相应的那个光调制装置120a、120b提供照明。这样的结构可以简化甚至省去上述各实施例中的偏振分光组件，实现比较简单的光路结构，并易于实现头戴式显示装置各部分(例如进入双眼的两条光线各自光路中的元件)之间的重量平衡等。注意，图5中采用偏振分光棱镜对反射式光调制装置120a、120b(例如彩色LCOS器件)进行照明并非必需，也可以采用其他的光路结构，只要两光源能够分别照射到相应的光调制装置并沿互不重合的路径出射，为观看者提供立体显示即可。

此外，上述各实施例中使用的反射式光调制器件也可以替换为透射式光调制器件，例如液晶面板、高温多晶硅器件(HTPS)等，在此情况下，各实施例中的反射式照明结构也相应地由透射式照明结构代替，使光线照射到光调制装置的一侧并经其调制后从另一侧出射。

需要说明的是，上述各种实施例只是为了便于本领域技术人员的理解而以示例方式对本发明进行的直观说明，本发明的范围不局限于这些具体的实施例，而由权利要求来限定。

Claims (12)

1. 一种头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置包括光源、第一光调制装置和第二光调制装置，所述第一光调制装置以第一调制信息对所述光源发射的一部分光进行调制，所述第二光调制装置以不同于所述第一调制信息的第二调制信息对所述光源发射的另一部分光进行调制，所述两部分光经过调制后沿着互不重合的路径传播，使所述头戴式显示装置可以为佩戴者提供立体显示。

2. 如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光源包括两个单独的发光部分，分别发射所述一部分光和所述另一部分光。

3. 如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置还包括第二光源，所述光源和所述第二光源分别发射所述一部分光和所述另一部分光。

4. 如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置包括偏振分光组件，所述偏振分光组件将所述光源发出的光分成相互正交的第一偏振态和第二偏振态作为所述一部分光和所述另一部分光。

5. 如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述互不重合的路径大致相互平行。

6. 如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述互不重合的路径相交于所述头戴式显示装置之外的位置。

7. 如权利要求1-6中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一光调制装置和所述第二光调制装置是彩色硅上液晶器件。

8. 如权利要求4所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述偏振分光组件是偏振分光棱镜组。

9. 如权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述偏振分光组件还包括偏振态转换器件。

10. 如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述彩色硅上液晶器件的滤光功能是在所述彩色硅上液晶器件的封装玻璃上实现的。

11. 如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述彩色硅上液晶器件的滤光功能是通过在所述彩色硅上液晶器件的象素上直接涂敷各种色彩的染料而实现的。

12. 如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述彩色硅上液晶器件的滤光功能是通过在所述彩色硅上液晶器件的象素上镀干涉滤光膜而实现的。

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