CN103439793B - 一种头戴显示装置hmd - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴显示装置HMD，包括镜架、显示系统和控制系统，所述显示系统包括微型图像显示器、曲面棱镜、补偿棱镜和像素级视透率可调显示屏，所述曲面棱镜为具有三个光学表面的自由曲面棱镜，从观察者侧看，补偿棱镜位于曲面棱镜外侧，且补偿棱镜与曲面棱镜光学胶合；微型图像显示器用于显示计算机生成图像CGI图像，像素级视透率可调显示屏位于补偿棱镜外侧，用于控制外界场景光线射入人眼的比例。本发明HMD独特的光学系统结构，使得出瞳直径大，畸变小；且本发明视透率实现像素级调节，能最大程度的满足用户对HMD舒适度、清晰度等方面的需求，降低了HMD使用时对眼睛造成的疲劳感，极大的提高了HMD的可用性。

Description

一种头戴显示装置HMD

技术领域

本发明涉及可穿戴计算头戴显示设备领域，尤其涉及一种头戴显示装置HMD。

背景技术

头戴显示器(HMD，Headmounteddisplay)又称抬头显示器(HUD，Headupdisplay)，是一种至少包含一个微型显示器件(像源系统)、相应的光学系统、以及支持结构(支持系统)的近眼显示装置。视透式HMD具有其特殊的人机交互特性，能够结合增强现实技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育、仿真等各个领域。光学系统在HMD中起着关键性作用，如果光学系统不能很好的校正系统的相差和畸变，用户看到的将会是扭曲和不清晰的图像，现有技术中，畸变校正效果均一般。另外在不同的光照环境下，视透率是否合适也直接决定用户对HMD的体验度(视透率描述的是视透式HMD的视透效果)。现有视透式HMD通常采用半透半反膜技术或液晶光阀来实现对透式率的控制，半透半反膜的光学参数是固定的，一经完成，其对光的衰减程度也随之确定，不能够自动的加以调整。也就是说，我们无法使50/50的镀膜，既实现透射率和反射率各50％，又实现60％的透射率和40％的反射率。而晶光阀的液晶层整体为一个大像素，因此液晶光阀对视透率的调节是以光阀的液晶面板为面积单位，无法达到像素级视透率的调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种头戴显示装置HMD，解决现有HMD光学系统及视透率调节问题上的缺陷，实现像素级视透率的调节。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种头戴显示装置HMD，包括镜架、显示系统和控制系统，所述显示系统包括微型图像显示器、曲面棱镜、补偿棱镜和像素级视透率可调显示屏，所述曲面棱镜为具有三个光学表面的自由曲面棱镜，从观察者侧看，补偿棱镜位于曲面棱镜外侧，且补偿棱镜与曲面棱镜光学胶合；像素级视透率可调显示屏位于补偿棱镜外侧；微型图像显示器用于显示计算机生成图像CGI图像，像素级视透率可调显示屏用于控制外界场景光线射入人眼的比例，微型图像显示器发出的光线先经过曲面棱镜的第一表面透射进入曲面棱镜，然后在第二表面的内侧发生全反射，再经第三表面反射，最后再次经过第二表面透射进入人眼，所述曲面棱镜的第三表面镀有半反半透膜；外界场景光线首先经过像素级视透率可调显示屏透射，然后经补偿棱镜第二表面透射进入补偿镜，然后经过补偿棱镜第一表面、曲面棱镜的第三表面和第二表面进入人眼。

优选的，补偿棱镜的第一表面和第二表面的面型分别与曲面棱镜的第二表面、第三表面的面型相同。

优选的，曲面棱镜的三个光学表面的面型满足以下条件方程：

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}\\ +c_4{x}^2+c_6{y}^2\\ +c_8{x}^{2}y+c_{10}{y}^3\\ +c_{11}{x}^4+c_{13}{x}^2{y}^2+c_{15}{y}^4\\ +c_{17}{x}^{4}y+c_{19}{x}^2{y}^2+c_{21}{y}^5\\ +\mathrm{...}\end{array}$

其中C为曲面曲率半径，c_j为多项式系数。

优选的，所述控制系统包括存储模块、控制处理器、显示模块电路和外围电路，其中：显示模块电路包括图形处理器，图形处理器输出两路视频信号，一路为微型图像显示器提供CGI图像，另一路为像素级视透率可调显示屏提供用于控制视透率的图像信号；外围电路包括外部通信接口，用于与头戴显示装置进行交互，所述外部通信接口包括Wi-Fi、蓝牙、GPS、GPRS、USB中的一种或多种。

优选的，所述HMD还包括用于感知环境光强的感光装置，感光装置将光强信息经控制处理器发送给图形处理器，图形处理器根据光强信息对像素级视透率可调显示屏的整个区域进行视透率调节，在所述控制系统中预先设置有光强与视透率的映射关系。

优选的，图形处理器根据检测到的微型图像显示器的被点亮区域，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。

优选的，图形处理器根据从应用程序里提取出的虚拟信息在微型图像显示器上的呈现区域信息，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。

优选的，图形处理器根据用户语音、手势、触摸指令中的一种或多种，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。

优选的，所述像素级视透率可调显示屏为透明单色LCD显示屏或透明单色OLED显示屏。

优选的，所述微型图像显示器为LCD显示屏、OLED显示屏、LCoS显示屏中的一种。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例的HMD，一方面采用三个光学表面的自由曲面棱镜结合补偿棱镜，使得整个HMD的光学系统出瞳直径大，畸变小，另一方面采用了一块像素级控制视透率的显示屏来调节HMD的视透率，能最大程度的满足用户对HMD舒适度、清晰度等方面的需求，降低了HMD使用时对眼睛造成的疲劳感，极大的提高了HMD的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例头戴显示装置HMD的一种结构示意图；

图2为本发明实施例头戴显示装置中的显示系统的结构示意图；

图3(a)为本发明实施例头戴显示装置中显示系统的MTF曲线；

图3(b)为本发明实施例头戴显示装置中显示系统的畸变曲线；

图4为本发明实施例头戴显示装置中控制系统的结构示意图；

图5为本发明实施例头戴显示装置调节视透率的方法流程示意图；

图6(a)为本发明实施例在环境光强较弱时，根据环境光强调节视透率的效果示意图；

图6(b)为本发明实施例在环境光强较强时，根据环境光强调节视透率的效果示意图；

图7(a)为本发明实施例CGI显示器区域示例图；

图7(b)为根据图7(a)CGI显示器区域调节视透率的效果示意图；

图8(a)为本发明实施例AR显示区域例意图；

图8(b)为根据图8(a)中的AR显示区域调节视透率的效果示意图。

图中标记：1-微型图像显示器，2-曲面棱镜第一表面，3-曲面棱镜第二表面，4-曲面棱镜第三表面，5-补偿棱镜的第一表面，6-补偿棱镜的第一表面，7-像素级视透率可调显示屏，10-镜架，20-显示系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所述的HMD可以为单目HMD，也可以为双目HMD，当为单目时，只有一组显示系统，双目则有两组显示系统。本发明实施例中所述的视透率就是透射率，视透率高的话，反射率就低。

参见图1，为本发明实施例头戴显示装置HMD的一种结构示意图，包括镜架10、显示系统20和控制系统(控制系统在图1中未示出)，图1示意的为双目HMD，即有两组完全相同的显示系统，每组显示系统的结构示意图可参见图2，包括微型图像显示器1、曲面棱镜、补偿棱镜和像素级视透率可调显示屏7。图2中，8为出瞳，即人眼位置；所述曲面棱镜为具有三个光学表面的自由曲面棱镜，从像源到观察者方向，依次为第一表面2，第二表面3，第三表面4，其中第三表面4镀有半反半透膜；所述补偿棱镜包括两个光学表面，分别为光学表面5和6，5亦称为补偿棱镜的第一表面，6亦称为补偿棱镜的第二表面，补偿棱镜的第一表面5和第二表面6分别与曲面棱镜的第二表面3、第三表面4的面型相同(即面5与面3面型相同，面6与面4面型相同)。从观察者侧看，补偿棱镜位于曲面棱镜外侧，补偿棱镜与曲面棱镜光学胶合；像素级视透率可调显示屏7位于补偿棱镜外侧，用于控制外界场景光线射入人眼的比例；微型图像显示器1位于曲面棱镜第一表面2的外侧，用于显示计算机生成图像CGI图像。图2显示系统的实际光路分为两路，分别为：1)微型图像显示器1发出的光线先经过曲面棱镜的第一表面2透射进入曲面棱镜，然后在第二表面3的内侧发生全反射，再经第三表面4反射，最后再次经过第二表面3透射进入人眼；2)外界场景光线首先经过像素级视透率可调显示屏7透射，然后经补偿棱镜第二表面6透射进入补偿镜，然后经过补偿棱镜第一表面5、曲面棱镜的第三表面4和第二表面3进入人眼。

本发明实施例中，曲面棱镜的三个光学表面的面型满足以下条件方程：

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}\\ +c_4{x}^2+c_6{y}^2\\ +c_8{x}^{2}y+c_{10}{y}^3\\ +c_{11}{x}^4+c_{13}{x}^2{y}^2+c_{15}{y}^4\\ +c_{17}{x}^{4}y+c_{19}{x}^2{y}^2+c_{21}{y}^5\\ +\mathrm{...}\end{array}$

其中C为曲面曲率半径，c_j为多项式系数，设计时，合理选择多项式，将自由曲面控制成平面对称曲面。

优选的，本发明的实施例中的光学系统设计为以下的光学特性：微型图像显示器1的对角线长度为0.61英寸，分辨率为800*600；光学系统设计为成像于无穷远时对角视场为52度，出瞳距为22mm，及曲面棱镜出射表面(图2中面3)到出瞳8之间的直线距离为22mm，出瞳直径为8mm，微型显示器1与曲面棱镜之间的直线距离为5mm。按此方案，本实施例中的中心视场传递函数值在30lp/mm处大于0.3，边缘视场在30lp/mm处大于0.1，MTF曲线和畸变曲线分别如附图3(a)和3(b)所示，图3(a)中横坐标表示空间线对数(单位为毫米)，图3(a)纵坐标表示调制传递函数值，TS点值为(-21.00，-14.00度)。图3(b)横坐标表示百分比。

本发明实施例中，所述像素级视透率可调显示屏7可以为透明单色LCD显示屏、透明单色OLED显示屏等现有或未来可能出现的任一种以像素为单位控制屏幕显示的显示屏。所述微型图像显示器1可以为LCD显示屏，也可以为OLED显示屏、LCoS(LiquidCrystalonSilicon，硅基液晶)显示屏等常用微型显示屏。

LCD显示屏(LiquidCrystalDisplay，液晶显示屏)，液晶这一呈液体状的化学物质，与磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列。如果对分子的排列加以适当的控制，液晶分子即可控制光线的透射率。LCD显示屏中，液晶的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，实现视透率的控制。由于LCD显示屏每个像素都能被单独控制，因此本发明可采用单色透明LCD控制视透率，来实现像素级视透率的控制。而OLED显示屏(OrganicLight-EmittingDiode，有机电激光显示)可以以像素点为单位，调节各像素的灰度值，灰度值越大，视透率越低。

参见图4，为本发明实施例头戴显示装置中控制系统的结构示意图，所述控制系统包括存储模块、控制处理器、显示模块电路和外围电路。存储模块为系统存储，里面存储了整个HMD的控制程序和数据；控制处理器相当于电脑CPU，各种数据处理工作都在此模块完成；显示模块电路包括图形处理器，图形处理器通过2个视频输出接口输出两路视频信号，一路为微型图像显示器提供CGI图像，另一路为像素级视透率可调显示屏提供用于控制视透率的图像信号；外围电路包括外部通信接口，用于与头戴显示装置进行交互，所述外部通信接口包括Wi-Fi、蓝牙、GPS、GPRS、USB中的一种或多种。

本发明实施例可以根据以下一个或多个条件对HMD的视透率进行调节：

1)HMD的使用环境光强；

2)计算机生成图像CGI的显示区域；

3)增强现实AR技术中，需要重点增强的区域。

要实现用环境光强控制视透率，则需要在本发明实施例头戴现实装置表面安装用于感知环境光强的感光装置(光敏传感器)，感光装置将光强信息提交给控制处理器，控制处理器对当前的光强信息进行处理后，将控制指令传送给图形控制器，图形处理器根据光强信息对像素级视透率可调显示屏的整个区域进行视透率调节。在本发明实施例中，在HMD的控制系统中需要预先设置光强与视透率的映射关系，映射关系为环境光强越强，视透率越低，具体值在此不做限定，根据需求可任意设定。如图6，采用本发明实施例，当环境光较弱时，如图6(a)，需要提高像素级视透率可调显示屏的视透率，以提高微显屏的CGI显示效果；当环境光较强时，如图6(b)，可适当降低像素级视透率可调显示屏的视透率，以提高微显屏的CGI显示效果。

由于在实际应用过程中，CGI图像并不一定会占满整个显示屏，有时候CGI图像会只占据一小部分显示屏，如图7(a)，因此，为了提高显示效果，需要降低像素级视透率可调显示屏上与CGI图像所重合的显示区域的视透率。实现方式为：图形处理器根据检测到的微型图像显示器的被点亮区域，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率，如图7(a)展示的为CGI图像在微型图像显示器上所占区域，图7(b)展示的为像素级视透率可调显示屏上对应区域视透率降低的示意图。

HMD应用中，最值得期待的是增强现实AR技术，即将虚拟信息叠加到真实场景中，在增强现实应用场景下，为突出增强现实所显示的信息，可将与其相关的区域的视透率降低。实现方式为：图形处理器根据从应用程序里提取出的虚拟信息在微型图像显示器上的呈现区域信息，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。图8(a)展示的为微型图像显示器上的呈现的虚拟信息，图8(b)展示的为像素级视透率可调显示屏上虚拟信息对应区域视透率降低的示意图。

上述调节视透率的三种方法可以分开使用，也可以结合使用，参见图5，为上述三种方法结合使用的实施例。HMD控制系统在接收到光敏传感器发送来的环境光强信号后，判断环境光强是否发生变化，若环境光强发送变化，则根据系统内存储的环境光强与视透率的对应关系调节像素级视透率可调显示屏整个屏幕区域的视透率，如图6(a)和图6(b)，若无变化则继续检测环境光强是否发生变化。在整个屏幕的视透率根据光强信号调节好后，检测微型图像显示器是否显示CGI图像，若是，则根据CGI所在区域，在像素级视透率可调显示屏上调节对应区域的视透率(如图7(a)和图7(b))，该视透率是在整个屏幕视透率的基础上进一步降低视透率。CGI所在区域视透率调节后，检测CGI图像中是否有增强现实信息，若有，则调节AR区域的视透率(如图8(a)和图8(b))，该视透率是在CGI区域视透率的基础上进一步降低视透率。

上述方法描述的均为自适应调节视透率方法，用户还可以通过语音或手势指令，直接对视透率的开关、视透比例、以及区域进行手动控制，以满足用户在各种环境下的需要。实现方式为：图形处理器根据用户语音、手势、触摸指令等方式，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。

本发明实施例的HMD，一方面采用三个光学表面的自由曲面棱镜结合补偿棱镜，使得整个HMD的光学系统出瞳直径大，畸变小；另一方面采用了一块像素级控制视透率的显示屏来调节HMD的视透率，能最大程度的满足用户对HMD舒适度、清晰度等方面的需求，降低了HMD使用时对眼睛造成的疲劳感，极大的提高了HMD的可用性。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种头戴显示装置HMD，包括镜架、显示系统和控制系统，其特征在于，所述显示系统包括微型图像显示器、曲面棱镜、补偿棱镜和像素级视透率可调显示屏，所述曲面棱镜为具有三个光学表面的自由曲面棱镜，从观察者侧看，补偿棱镜位于曲面棱镜外侧，且补偿棱镜与曲面棱镜光学胶合；像素级视透率可调显示屏位于补偿棱镜外侧；微型图像显示器用于显示计算机生成图像CGI图像，像素级视透率可调显示屏用于控制外界场景光线射入人眼的比例；

微型图像显示器发出的光线先经过曲面棱镜的第一表面透射进入曲面棱镜，然后在第二表面的内侧发生全反射，再经第三表面反射，最后再次经过第二表面透射进入人眼，所述曲面棱镜的第三表面镀有半反半透膜；

外界场景光线首先经过像素级视透率可调显示屏透射，然后经补偿棱镜第二表面透射进入补偿镜，然后经过补偿棱镜第一表面、曲面棱镜的第三表面和第二表面进入人眼；

所述控制系统包括存储模块、控制处理器、显示模块电路和外围电路，其中：显示模块电路包括图形处理器，图形处理器输出两路视频信号，一路为微型图像显示器提供CGI图像，另一路为像素级视透率可调显示屏提供用于控制视透率的图像信号；外围电路包括外部通信接口，用于与头戴显示装置进行交互，所述外部通信接口包括Wi-Fi、蓝牙、GPS、GPRS、USB中的一种或多种；

图形处理器根据检测到的微型图像显示器的被点亮区域，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率；和/或图形处理器根据从应用程序里提取出的虚拟信息在微型图像显示器上的呈现区域信息，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。

2.如权利要求1所述的头戴显示装置HMD，其特征在于，补偿棱镜的第一表面和第二表面的面型分别与曲面棱镜的第三表面、第二表面的面型相同。

3.如权利要求2所述的头戴显示装置HMD，其特征在于，曲面棱镜的三个光学表面的面型满足以下条件方程：

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}\\ +c_4{x}^2+c_6{y}^2\\ +c_8{x}^{2}y+c_{10}{y}^3\\ +c_{11}{x}^4+c_{13}{x}^2{y}^2+{c_{15}y}^4\\ +c_{17}{x}^{4}y+c_{19}{x}^2{y}^2+c_{21}{y}^5\\ +...\end{array}$

其中C为曲面曲率半径，c_j为多项式系数。

4.如权利要求3所述的头戴显示装置HMD，其特征在于，所述HMD还包括用于感知环境光强的感光装置，感光装置将光强信息经控制处理器发送给图形处理器，图形处理器根据光强信息对像素级视透率可调显示屏的整个区域进行视透率调节，在所述控制系统中预先设置有光强与视透率的映射关系。

5.如权利要求3所述的头戴显示装置HMD，其特征在于，图形处理器根据用户语音、手势、触摸指令中的一种或多种，调节像素级视透率可调显示屏所对应区域的视透率。

6.如权利要求1至3中任一项所述的头戴显示装置HMD，其特征在于，所述像素级视透率可调显示屏为透明单色LCD显示屏或透明单色OLED显示屏。

7.如权利要求1至3中任一项所述的头戴显示装置HMD，其特征在于，所述微型图像显示器为LCD显示屏、OLED显示屏、LCoS显示屏中的一种。