CN108089331A - 一种头戴显示器及控制装置 - Google Patents

Abstract

一种头戴显示器及其控制装置，包含一个头戴显示器和一个控制装置，二者使用连接线连接；其中头戴显示器包括光学模组及支撑结构，微型显示器模块，环境光感应装置，液晶光阀，微型电机模块；控制装置包括电源模块，旋钮模块，按键模块；由环境光感应装置捕捉外界环境亮度，根据其强弱动态地调节液晶光阀两端电压，改变其透射率，从而调节入眼环境光线亮度；由控制装置的旋钮模块产生驱动电流，驱动微型电机调节光学模组与微型显示器发生偏移，从而调节焦距；由控制装置的电源模块给二者供电。通过实施本发明，可在各种外界光线环境下，满足不同视力用户的需要，减轻眼部疲劳；有效减轻头戴显示器的重量，增加电池续航，提高佩戴舒适性、安全性。

Description

一种头戴显示器及控制装置

技术领域

发明涉及头戴显示器领域，更具体地说，涉及一种头戴显示器及控制装置。

背景技术

头戴显示器(Head Mounted Display，HMD)又称为头盔显示器(Helmet MountedDisplay，HMD)，是一种至少包含一个微型图像源及相应光学系统的近眼显示装置。HMD特殊的人机交互特性使其可结合虚拟现实(Virtual Reality，VR)和增强现实(AugmentedReality，AR)技术广泛应用于科研、教育、医疗、社交、工业、军事等多个领域。

由于近年来VR/AR技术的逐渐成熟，HMD领域成为当前研究和开发的热门领域之一。VR/AR头戴显示器由于其在独立的头戴显示器中集成了图像处理单元、微型显示器模块、光学模组、电源管理模块等，能够不依赖PC平台的同时又具有较好的显示体验，具有较高的便携性，因此受到一定用户群体的欢迎。

一方面由于此类HMD设备为了保证续航时间在可接受范围内，增大电池容量的同时，电池和HMD的体积、重量难以避免地增加，内部部件的布局也将变得异常困难，影响了佩戴的舒适性，并且可充电电池位于HMD内部，安全性难以保障；另一方面，此类HMD为了满足近视用户群体的需要，一般具备焦距调节功能，然而调节的按钮位于头戴显示器的顶部，用户佩戴HMD设备之后，通过手动触摸调节旋钮不够方便。而对于双目可透视头戴显示器，用户无法调节外部环境复杂光线对于HMD所显示的图像的影响，显示画面相对于环境光线过暗或过亮都将加速用户眼睛疲劳，使用户体验较差。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提出使用一种头戴显示器及控制装置的解决方案。

本发明的控制装置，通过一段连接线连接至头戴显示器，其中连接线可以方便拆卸和安装，一端位于所述控制装置尾部，另一端位于所述头戴显示器侧后方。

本发明的控制装置包含一个可用于手持和佩戴在用户身体部位的外壳，一个可调旋钮，位于外壳右侧，通过此旋钮调节所述头戴显示器的微型电机的驱动电路。

本发明的控制装置还包括一个电源按键，位于外壳的顶部，通过此按键启动或关闭所述头戴显示器及控制装置；包括一个充电接口，可通过此接口给所述装置供电和充电。

本发明的头戴显示器包含但不限于：AR头戴显示器、MR(Mixed Reality，MR)头戴显示器等,其具有一个可调节的光学模组支撑结构，以及一个相关联动装置，光学模组固定在此支撑结构中，置于所述头戴显示器的前方，并且可以由相关联动调整其与所述头戴显示器的微型显示器的距离，从而调整光学模块的焦距。

本发明的头戴显示器还包含一个微型电机及其驱动电路，此微型电机位于所述头戴显示器的中部，由驱动电路驱动微型电机的转向和转速，微型电机与所述头戴显示器的可调支撑结构的联动装置采用齿轮或皮带传动，由该联动装置传导微型电机的输出位移量。

优选的，本发明的头戴显示器的微型电机的控制方式，为所述的控制装置的旋钮控制，由用户根据自身视力情况手动调节。

本发明的头戴显示器还包括一个环境光感应装置，此装置包括一个环境光传感器及其信号处理电路，环境光传感器位于所述头戴显示器的前侧，采集外界环境光线亮度，由信号处理电路完成信号放大、滤波、转换等。

本发明的头戴显示器还包括一个液晶光阀(liquid crystal light valve，LCLV)，此液晶光阀位于所述头戴显示器的两个透镜后方，从而达到改变环境光线透射率的目的。

优选的，本发明的头戴显示器的液晶光阀为自动校准控制，其输入信号为环境光传感装置的输出电压信号，无需用户调节。

实施本发明的一种头戴显示器及控制装置，具有如下有益效果：本发明通过将电源模块集成在控制装置中，与头戴显示器实现分离，可以有效减轻头戴显示器的体积和重量，提高佩戴舒适度，增加续航时间；另一方面，将目前具有爆炸隐患的可充电电池集成在控制装置中，还极大地提高了用户的人身安全；针对近视用户群体，本发明提供了一种便捷的光学模组焦距调节功能，用户可以根据自身视力，通过控制装置的旋钮方便、准确地调节图像焦距；针对可透视头戴显示器，本发明的头戴显示器引入了环境光透射率自校准功能，通过环境光传感器采集外界环境光线亮度，动态地调节液晶光阀的透射率，使得图像源的亮度相对于环境光在较为舒适的范围内，无需用户频繁的调节图像源亮度，有助于降低功耗，减轻用户眼部疲劳，提高用户沉浸感。

附图说明

下面将结合附图及实例对本发明作进一步的说明，附图中：

图1是本发明头戴显示器及控制装置的功能示意图；

图2是本发明头戴显示器和控制装置的结构示意图；

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清晰的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1至图2，是本发明的一个实施例。

本实例公开一种头戴显示器及控制装置，具体如图1所示，图1为一种头戴显示器及控制装置功能示意图，图2为本实例头戴显示器和控制装置结构图，实例包括一个可用于手持和佩戴的控制装置1，一个头戴显示器(AR、MR等)2，一根连接线3。

本实例头戴显示器为AR/MR头戴显示器，具体包含一个头戴显示器外壳本体2，一个微型电机4及其驱动模块41，两个光学模组5，及其支撑结构联动装置51，两个液晶光阀6，一个环境光感应装置7，两个微型显示器模块8，及其控制模块81，其中还包含一个控制装置本体1，一个电源按键开关11，一个焦距调节旋钮12，一个电源模块13，一个连接线接口14，一个Mini-USB充电接口15。

如图2所示，本实例连接线3为编织绝缘导线，长度为1.00m，易于弯曲，连接牢固，可以方便的安装和拆卸，一端安装在头戴显示器2的左后侧(方便用户使用右手操作所述控制装置)，一端安装于控制装置的底部接口14中，安装后用于给头戴显示器提供电源信号和控制信号。

如图2所示，本实例控制装置的Mini-USB接口置于其底部中间位置，用于给此控制装置1及头戴显示器2提供一种供电方式，并且可以给内置可充电电池13充电，此时电池13不用于供电；电池模块13包含充电电路和稳压电路，在连接Mini-USB时，充电电路给其充电，在不连接Mini-USB时，稳压电路给装置及头戴显示器提供电源；并且由位于控制装置顶部的电源开关按钮11，可在任何时刻切换电源的开启和关闭状态。

如图2所示，本实例控制装置的可调节旋钮12置于控制装置2的右侧，便于使用右手拇指进行转动调节，通过转动此旋钮，产生调节头戴显示器的微型电机驱动模块41，进而调节微型电机4的转向和转速。如图2所示，本实例的微型电机4为特种电机、微型永磁式直流电机、微型电磁式直流电机中的一种，置于头戴显示器2上端中部，包含其驱动电路41。由于本实例中微型电机4需要双向转动，并支持调速，则可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器；以及三极管，场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。

如图2所示，本实例的环境光感应装置7位于头戴显示器2右前方，用于采集外部环境光线强度。目前光传感器IC的设计经过不断演进，已经出现了集成的数字环境光和接近传感器。典型环境光传感器集成了光敏二极管阵列，用于信号调理和采集；集成的ADC将捕获到的光信号转换成数字数据流，由微控制器对数据进行后处理，用于实现不同的应用目标。通过I2C接口，可以写入不同的配置命令，并读出环境光和接近距离的数据流，通过中断功能直接送到主控单元，由主控单元控制液晶光阀两端电压值。

如图2所示，本实例的液晶光阀6分别置于镜片的正后方，用于动态调节入射光线透视率。为了有效改善液晶光阀的响应时间，可以采用单臂半H桥驱动电路，其输入信号为主控单元输出电压信号，电压范围根据环境光传感装置7输出信号动态地进行调整，以适应外界环境光线强度的变化。

如图2所示，本实例的光学模组5包含其支撑结构和联动装置51，支撑结构用于支撑光学模组，使之不发生横向位移；通过联动装置，将微型电机4的轴向转动转换为光学模组的纵向移动，从而实现改变光学放大透镜与微型显示器模块之间的距离，实现调节图像焦距的目的，以适应不用视力用户的需要。

如图2所示，本实例还包含微型显示器模块8，控制模块81，具体来说，控制模块包含存储单元，视频处理单元，主控单元等。微型显示器为OLED、LCOS、LCD、DPL、Micro-LED等中的一种；存储单元用于储存用户交互系统和文件系统；视频处理单元用于将图形界面、视频文件等转换为微型显示器模块的输入信号；主控单元即控制模块，用于控制视频处理单元、微型电机、环境光传感装置、液晶光阀等，此外主控单元通过控制视频处理单元，具备调节微型显示器模块8图像源亮度和对比度等功能。

工程实践显示，通过实施本发明，可以有效减轻可透视头戴显示器的体积和重量，提高佩戴舒适度，还可以通过增加控制装置内置电池的容量，增加续航时间，并提高安全性，减弱安全隐患

针对近视用户群体，还提供了一种便捷的光学模块焦距调节功能，用户可以根据自身视力情况，通过控制装置的旋钮方便、准确地调节图像焦距。

此外，本发明还引入了环境光线透射率自校准功能。通过环境光传感器采集外界环境光线亮度，动态地调节液晶光阀的透射率，改变环境光线的亮度，使图像源的亮度相对于环境光在较为舒适的范围内，无需用户频繁的调节图像源亮度，有助于降低功耗，减轻用户眼部疲劳，提高用户体验。

Claims (10)

1.一种头戴显示器及控制装置，二者通过连接线连接后配合使用，该头戴显示器为双目可透视头戴显示器，具有微型显示器模块，光学模组及支撑结构，环境光感应装置，液晶光阀，微型电机，该控制装置具有一个控制装置本体，旋钮模块，按键模块及电源模块；其特征在于：

所述头戴显示器包括至少两个微显显示器模块，至少两个光学模组，至少一组支撑结构，至少一个环境光感应装置，至少两个液晶光阀和至少一个微型电机；

所述控制装置包括至少一个可调旋钮，至少一个按键，至少一个电源模块和至少一根连接线；

所述控制装置的可充电电池模块通过连接线给头戴显示器供电，同时为控制装置供电；所述控制装置调节旋钮可以调节所述头戴显示器微型电机转动速率及转动方向，进而调整光学模组支撑结构的空间位置偏移量，改变光学模组焦距；所述头戴显示器的环境光感应装置可以根据外界环境亮度，动态地调整液晶光阀对外界环境光线的透射率，进而改变入眼环境光线的亮度及图像源的相对亮度。

2.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述头戴显示器的光学模组支撑结构包括相关联动装置，通过联动装置与微型电机相连，微型电机的转动将改变此光学器件与图像源的相对位置。

3.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述头戴显示器的微型显示器包含OLED微型显示器、LCOS微型显示器、LCD微型显示器、Micro-LED微型显示器、DPL微型投影仪等中的一种，并包含其视频处理单元，视频处理单元具备调节图像源亮度和对比度等功能；所述头戴显示器的光学模组包含透镜、偏振镜、非球面镜、棱镜等中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述头戴显示器的液晶光阀置于头戴显示器正前方两块透镜处，并可通过在液晶光阀两侧施加不同程度的电压，调节液晶光阀的透光率，进而改变入眼环境光的亮度。

5.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述头戴显示器的环境光感应装置包括光电传感器、环境光传感器等中的一种，并且包含其信号处理电路，由环境光感应装置控制所述头戴显示器的液晶光阀两端的电压。

6.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述头戴显示器的微型电机包含特种电机、微型永磁式直流电机、微型电磁式直流电机等中的一种；并包含其驱动电路，通过驱动电路控制其转动方向和转速。

7.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述控制装置包含一个微型电机控制旋钮，用于调节所述头戴显示器光学模组及支撑结构的焦距；一个电源按键，用于启动和关闭所述头戴显示器和控制装置。

8.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述控制装置的电源模块包含充电电路、稳压电路、可充电电池；并可工作在两种供电方式中，第一种是由外部适配器直接供电，第二种是由电源模块内置可充电电池供电；其中可充电电池包含铅酸蓄电池、镍镉电池、镍金属氢电池、锂聚合物电池等中的一种。

9.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述控制装置用既可以提供用户手持的结构，用户也可以选择佩戴带在某身体部位，例如腰部、胸部、背部、手臂等。

10.根据权利要求1所述的头戴显示器和控制装置，其特征在于，所述控制装置的连接线至少包含电源线、地线、微型电机控制线，并可以方便的拆卸和安装。