CN110398836B - 头戴显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够简单地调整光轴位置，且稳定地保持调整后的状态的头戴显示器。头戴显示器(1)具备：第一光学壳体(21)，其搭载有光源(31、32)与光学零件；第二光学壳体(22)，其搭载有图像生成元件(33)与光学零件；固定构件(23)，其对第一光学壳体(21)与第二光学壳体(22)进行连接固定；以及外装壳体(10)，其保持第一光学壳体、第二光学壳体以及固定构件，固定构件(23)设为环抱第二光学壳体(22)而与第一光学壳体(21)嵌合，来对第一光学壳体(21)与第二光学壳体(22)进行固定连接的构成。

Description

头戴显示器

本专利申请主张2018年4月25日提交的日本专利申请JP2018-083977号的优先权，通过参照该申请，而包含该申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及一种头戴显示器，尤其涉及一种光学零件的固定结构。

背景技术

头戴显示器(HMD：Head Mounted Display)是一种佩戴在用户头部，朝眼睛投射影像来传达信息的机器。作为佩戴在头部的手段，虽然有头盔型、眼镜型等，但考虑到便利性、习惯性等，眼镜型为主流。另外，作为影像信息的提供方法，有提供与实际视野不同的虚拟的空间的虚拟现实(Virtual Reality)、将影像信息重叠投射到实际视野的增强现实(Augmented Reality)。上述虚拟现实主要适用于游戏、模拟训练等，增强现实则适用于说明导览等和实际景象叠加的情景等。

这些技术因为要处理静态图像、动态图像，所以从光源到用户眼睛的光学特性会对品质造成很大影响。作为左右光学特性的事项，可举出从光源到眼睛的光轴偏移。如果光轴发生偏移，则用户看到的图像的品质会劣化，可能会在所显示的图像、文字中产生失真，或在显示图像上产生着色不均、亮度不均等。

作为与其相关的技术，在日本专利特开2015-220666号公报所记载的眼镜型HMD中，提出一种构成：将设置在镜腿部的出射图像信息的投影单元、与设置在眼镜透镜部的反射部的相对配置设为可变，从而能够根据用户的眼部的位置来调整图像所显示的位置。

另外，在日本专利特开2014-186201号公报所记载的眼镜型HMD中，提出一种构成：一边调整影像显示元件与投射透镜的相对位置，一边将收纳影像显示元件的影像元件盒与收纳投射透镜的镜筒粘合。

发明内容

在日本专利特开2015-220666号公报所记载的构成中，虽然在调整时能够最优化光学特性，但是投影单元安装在眼镜的镜腿部，而将HMD实际佩戴在头部时，有时镜腿部会弯曲。其结果，存在投影单元与反射部的位置关系发生改变，最终相对于用户眼部的显示位置发生偏移之虞。

在日本专利特开2014-186201号公报所记载的构成中，对于收纳影像显示元件的影像元件盒与收纳投射透镜的镜筒，通过在成为两者的位置的调整量的间隙中填充粘合剂，使其固化而粘合。该构成中，在调整后的两者的位置发生偏移的情况下，所填充的粘合剂的厚度会在各部位有所不同。其结果，存在在HMD掉落时，因为粘合强度不充分，从而影像元件盒(影像显示元件)与镜筒(投射透镜)脱落之虞。

一般，在调整像HMD这样的光学系统时，作为进行调整后的各零件的固定方法，使用螺钉、粘合剂等，但是在紧固螺钉时有可能引起位置偏移(旋转)。另外，如果考虑到HMD的使用环境，则利用粘合剂进行的固定在掉落时强度不足、会经时劣化等，在可靠性上存在问题。

鉴于以上所述的课题，本发明的目的在于提供一种能够简单地调整光轴位置，且能够稳定地保持调整后的状态的头戴显示器。

为了达成上述课题，本发明的头戴显示器具备：第一光学壳体，其搭载有光源与光学零件；第二光学壳体，其搭载有图像生成元件与光学零件；固定构件，其对第一光学壳体与第二光学壳体进行连接固定；以及外装壳体，其保持第一光学壳体、第二光学壳体以及固定构件，固定构件设为环抱第二光学壳体而与第一光学壳体嵌合，来对第一光学壳体与第二光学壳体进行固定连接的构成。此处，固定构件的固定方向设为，来自光源的光从第一光学壳体出射，并入射至搭载有图像生成元件的第二光学壳体时的光轴方向。

依据本发明，能够提供一种光轴调整与组装作业容易、且显示图像的品质劣化少的可靠性高的头戴显示器。

附图说明

通过以下结合附图作出的详细描述，本发明的这些与其它特征、目的以及优点将更加清晰明瞭：

图1是表示实施例1所涉及的HMD的外观的图。

图2是表示卸掉了外装壳体10后的HMD主体20的构成的图。

图3是对HMD主体20的光学壳体与固定构件的分解图。

图4A是说明HMD主体20的光学系统的俯视图。

图4B是说明HMD主体20的光学系统的前视图。

图4C是说明HMD主体20的光学系统的侧视图。

图5是说明2个光学壳体21、22的定位与固定方法的图。

图6是详细说明固定构件23的形状与固定方法的图。

图7是表示安装固定构件时的散热材料的位置与结构的图(实施例2)。

图8是表示安装外装壳体时的散热材料的位置与结构的图。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的头戴显示器(简称为HMD)的实施方式。

实施例1

图1是表示本实施例所涉及的HMD的外观的图。此处，示出眼镜型的HMD1的例子，其佩戴在用户头部。在HMD1的外装壳体10中，保持着生成并投射图像的光学系统(HMD主体)。符号11L、11R是用于保护HMD主体的护罩，且由具有透过性而能够取入景色的材料构成。由此，用户能够视觉识别虚拟现实、增强现实等的图像。另外，以下说明中的座标定义为：在佩戴HMD1的用户采取站立姿势时，以脸的正面方向为x方向，以左右耳的方向为y方向，以铅垂方向为z方向。

图2是表示卸掉了外装壳体10后的HMD主体20的构成的图。HMD主体20由左右的第一光学壳体21L、21R、第二光学壳体22、固定它们的左右的固定构件23L、23R、以及在用户眼前显示图像的图像显示部24L、24R构成。进而在HMD主体20中，包含未图示的进行图像处理的基板、电源。如后所述，第一光学壳体21L、21R中搭载了光源和光学零件，第二光学壳体22中搭载了图像生成元件与光学零件。

图3是对HMD主体20的光学壳体与固定构件的分解图，示出图2中的第一光学壳体21L、21R、第二光学壳体22以及固定构件23L、23R的位置关系。其成为将第一光学壳体21L、21R相对于第二光学壳体22进行位置调整后，利用固定构件23L、23R将两者连接固定的构成。此处，第一光学壳体21L、21R中搭载了光源31L、32L、31R、32R，第二光学壳体22中搭载了图像生成元件33L、33R。设置在第一光学壳体21L、21R的侧表面的凸部42L、42R是用于通过嵌合来与固定构件23L、23R结合的。

本实施例的HMD1中，生成图像的图像生成元件33L、33R与显示图像的图像显示部24L、24R一体地构成。因此，即使在将HMD1佩戴在头部时眼镜的镜腿部弯曲，图像生成元件33L、33R与图像显示部24L、24R的位置关系也很少会改变，从而用户所观看的图像位置就不会偏移。

另外，搭载了光源31L、32L、31R、32R的第一光学壳体21L、21R与搭载了图像生成元件33L、33R的第二光学元件22通过利用固定构件23L、23R进行的嵌合而非粘合剂来连接固定。因此，在HMD掉落时，不会因为粘合强度而导致2个光学壳体脱落。

以下，对本实施例的HMD的结构与组装方法进行详细说明。

图4A、图4B、图4C是说明HMD主体20的光学系统的图，分别表示俯视图(xy面)、前视图(yz面)、侧视图(xz面)。另外，如图2、图3所示，因为HMD主体20左右对称，所以以下对单侧(左眼侧)的结构进行说明。另外，包含附图的各零件的说明中，去掉左右区别L、R，例如，将左眼侧的第一光学壳体21L仅以符号21表示。

本实施例的HMD1中，为了全彩显示彩色的影像，在第一光学壳体21中具备3原色的光源，其以2个光源31、32构成。例如，31设为绿色的单色光源，32设为红色和蓝色的2色光源。如图4A所示，以合色棱镜、半透半反镜等光学零件35对从这些光源31、32产生的光51、52进行合色。随后，如图4B所示，将合色后的光53以光学零件36反射而将朝向改为z方向，射向第二光学壳体22。

第二光学壳体22具备图像生成元件33，相对于第一光学壳体21在z方向上重叠而配置。从第一光学壳体21入射的光53由设置在第二光学壳体22的入光部的棱镜等光学零件37将朝向改为y方向，变成光54而照射图像生成元件33。图像生成元件33由液晶元件等构成，对光54赋予图像信息。赋予图像信息后的光55透过光学零件37，在第二光学壳体22内传播，射向图像显示部24。然后，如图4A所示，由设置在第二光学壳体22的光学零件38将朝向改为x方向，变成光56而入射至图像显示部24。

图像显示部24具备未图示的衍射光栅，相对于第二光学壳体22安装在z轴下方、x轴前面。如图4B、4C所示，入射至图像显示部24的光56转换成被导向yz面内的-z方向的光57。进而，被引导到用户眼前的光57变成由衍射光栅向视线轴的方向(x轴)衍射的光58，出射到图像显示部24的面外而入射到用户眼睛。依据以上的光的流动，HMD1向用户的视野方向显示图像。

如以上所说明，本实施例的HMD1中，设为用第一光学壳体21、第二光学壳体22这2个结构体分割图像生成元件33的近前与其后的光路的结构。这些位置关系是为了在用户佩戴HMD1的状态下两者不容易脱落，而在尽可能靠近脸部的位置配置零件。因此，第一光学壳体21与第二光学壳体22在z方向上重叠配置，在第一光学壳体21的出射口设置将y方向的光转换成z方向的光学零件36。

另外，第一光学壳体21相对于第二光学壳体22将其端部位置朝y方向错开而配置。这是为了在第一光学壳体21上确保收纳驱动光源31、32的电路板的空间。如此，在本实施例中，因为分割成第一光学壳体21与第二光学壳体22，所以需要以第一光学壳体21与第二光学壳体22的光路(光轴)一致的方式定位。因此，设为使用下述的固定构件23固定两者的构成。

图5是说明第一光学壳体21与第二光学壳体22的定位与固定方法的图。首先，如图4A、4B所示，在第一光学壳体21中，将光源31、32、及光学零件35、36定位并安装。另一方面，如图4A、4B所示，在第二光学壳体22中，将图像生成元件33、光学零件37、38、以及图像显示部24定位并安装。

作为子组件组装好的第一光学壳体21与第二光学壳体22为了构成连续的光学系统而进行光轴的位置调整，并将第一光学壳体21安装到第二光学壳体22上。该调整为搭载于第一光学壳体21的光源31、32、与搭载于第二光学壳体22的图像生成元件33的位置关系的调整，就图4B而言，是为了使来自光源31、32的光54准确地入射至图像生成元件33的位置。通过该调整，能够消除从光源到用户眼睛的光轴偏移，从而消除所显示的图像的失真、着色不均、亮度不均

在本构成中，两光学壳体的分割面为第一光学壳体21的出射部即光学零件36、与第二光学壳体22的入射部即光学零件37之间，且为与光53的光轴方向(z方向)正交的面(xy面)。因此，如图5所示，两者的调整方向变成与光53的光轴正交的方向(x、y方向)，光轴偏移的调整较容易。调整后，如果进行将两者粘合等临时固定则更便于操作。

接着，对临时固定好的第一光学壳体21与第二光学壳体22使用固定构件23，以环抱第二光学壳体22的方式将其固定在第一光学壳体21上。此时，如图5所示，固定构件23的安装与固定方向成为2个光学壳体的分割面(调整面)的法线方向、即z方向。因此，在由固定构件23进行固定动作时，不会对光轴调整方向(x、y方向)施加多余的力，调整完毕的光轴不会偏移。如此一来，能够使第一光学壳体21内的光51的光轴与第二光学壳体22内的光53的光轴一致而固定。

图6是详细说明固定构件23的形状与固定方法的图。固定构件23的基本形状设为包围搭载于第一光学壳体21的光源31、32的背面、以及搭载于第二光学壳体22的图像生成元件33的背面的形状。

具体而言，光源31、32位于固定构件23的末端，固定构件23设为平行于光源31、32的背面的形状。并且，固定构件23的x、y方向的内尺寸与第一光学壳体21的外尺寸一致，固定构件23的z方向的内尺寸与第二光学壳体22的外尺寸一致。因此，固定构件23虽然接触第一光学壳体21的侧表面，但是与第二光学壳体22的侧表面不接触，调整完毕的光轴不会偏移。

另外，为了在图像生成元件33附近确保未图示的电路板的收纳区域，固定构件23以平行地包围图像生成元件33的背面的方式设为U字形状。进而，固定构件23的从光源31、32到图像生成元件33为止的形状为在第一光学壳体21的上表面形成收纳、保护所述电路板的空间26。由此，具有防止组装后手意外触碰到光源31、32或图像生成元件33的效果。

接着，详细说明利用固定构件23的固定方法。固定构件23与第一光学壳体21的结合部位最少设有3处。其构成如下：首先，在固定构件23的侧表面设置2个嵌合孔41，在第一光学壳体21的侧表面设置2个凸部42，使两者于2处嵌合；进而，使用固定螺钉43，通过固定构件23的螺孔44，在第一光学壳体21的螺钉固定部45于1处螺合。

第一光学壳体21与第二光学壳体22的基本的固定动作由固定构件23的2个嵌合孔41与第一光学壳体21的2处的凸部42的嵌合承担。利用该嵌合进行固定的方向为第一光学壳体21与第二光学壳体22的分割面(调整面)的法线方向(z方向)，因此，固定作业时，不会对光轴调整方向(x、y方向)施力。另外，即使在固定后的组装体掉落的情况下，也能够防止两光学壳体脱落。

接着，使用固定螺钉43进行的固定动作是对第一壳体21与固定构件23进行结合固定的动作，起到使固定构件23的姿势稳定化的作用。因此，利用紧固，消除第一光学壳体21与第二光学壳体22之间调整后的光轴位置变动之虞。另外，在螺合部位上，能够夹着第一光学壳体21与未图示的电路板等而共同固定，能够简化作业。除此之外，像这样固定后的固定构件23与第一光学壳体21所包围的空间26中，收纳了未图示的电路板。进而，通过在固定构件23与第二光学壳体22之间夹入未图示的弹性体，能够使第一光学壳体21与第二光学壳体22更为牢固地固定。

此处，对利用本实施例的HMD中的固定构件23进行的固定方法总结特征。固定构件23基本上采用环抱第二光学壳体22并钩挂到第一光学壳体21的凸部42来嵌合固定的方式。因此，利用固定构件23进行固定作业时，不会有调整完毕的光轴发生偏移之虞，组装精度提高，更容易操作。除此之外，即使在组装后的HMD掉落时，第一光学壳体21从第二光学壳体22脱落的忧虑较小，可靠性提高。

实施例2

实施例2是关于提高实施例1所述的HMD1的散热特性的实施例。在HMD主体20中，包含光源31、32、图像生成元件33等发热零件。因此，通过将这些零件发出的热量从外装壳体10有效地释放到外部，来抑制光学壳体的温度上升，避免伴随温度上升带来的光轴偏移与图像品质劣化。

在所述图3中，设为如下结构：在搭载于第一光学壳体21L、21R的光源31L、32L、31R、32R与固定构件23L、23R的间隙、以及搭载于第二光学壳体22的图像生成元件33L、33R与固定构件23L、23R的间隙，配置散热材料；进而，在固定构件23L、23R与外装壳体10之间也配置散热材料。

具体而言，在所述图6中，对发热零件即光源31、32、图像生成元件33安装散热材料61、62、63。散热材料使用吸湿硬化型散热树脂、包覆材料等热传导效果高的材料。另外，为了避免该散热材料成为周围的光学元件等的偏移产生的原因，优选为比壳体材料柔软的材质。

图7是表示安装固定构件时的散热材料的位置与结构的图，且为所述图2的在B-B位置的剖面图。在子组件状态的第一光学壳体21、第二光学壳体22中，对光源31、32与图像生成元件33预先安装固定散热材料61、62、63。此时，各散热材料的形状(厚度)以在安装了固定构件23的状态下散热材料61、62、63与固定构件23接触的方式决定。由此，形成从光源31、32、图像生成元件33到固定构件23的散热路径。将这样组装成的HMD的主体20安装到外装壳体10。

图8是表示安装外装壳体10时的散热材料的位置与结构的图，且为所述图1的在A-A位置的剖面图。与图7的方法同样，在外装壳体10与HMD的主体20的固定构件23之间配置散热材料65。由此，将从HMD主体20发出的热量经由导热构件即固定构件23传导至外装壳体10，释放到外部大气。由此，能够将光源31、32、图像生成元件33所产生的热量经由外装壳体10释放到外部大气。

依据本实施例，能够抑制HMD的光学壳体的温度上升，而避免伴随温度上升带来的光轴偏移与图像品质劣化。由此，能够提供可靠性高的HMD。

以上的实施例中，虽然就左眼侧对HMD的结构与组装方法进行了说明，但是右眼侧也完全相同。并且，使光学系统左右独立这一点也是本实施例的HMD的特征之一。由此，能够独立调整左右的光学系统、光源、图像生成元件的特性误差，因此，具有能够将品质最大化的效果。

Claims (6)

1.一种头戴显示器，其朝图像生成元件照射来自光源的光，并将所生成的图像朝用户的视野方向显示，所述头戴显示器的特征在于，具备：

第一光学壳体，其搭载有所述光源与光学零件；

第二光学壳体，其搭载有所述图像生成元件与光学零件，所述第一光学壳体和所述第二光学壳体在xy面内相对于彼此进行位置调整，所述xy面与佩戴了该头戴显示器的用户采取站立姿势时的铅垂方向即z方向正交；

固定构件，其对位置调整后的所述第一光学壳体与所述第二光学壳体进行连接固定，所述固定的方向为所述z方向；以及

外装壳体，其保持所述第一光学壳体、所述第二光学壳体以及所述固定构件，

所述固定构件设为环抱所述第二光学壳体而与所述第一光学壳体嵌合，来对所述第一光学壳体与所述第二光学壳体进行固定连接的构成，

所述第一光学壳体与所述第二光学壳体在所述z方向上重叠配置，且所述第一光学壳体的端部位置相对于所述第二光学壳体朝y方向错开配置，所述y方向为佩戴了该头戴显示器的用户的左右耳方向，

所述固定构件以平行地包围所述图像生成元件的背面的方式设为U字形状。

2.根据权利要求1所述的头戴显示器，其特征在于，

所述固定构件的固定方向设为，来自所述光源的光从所述第一光学壳体出射、并入射至搭载了所述图像生成元件的所述第二光学壳体时的光轴方向。

3.根据权利要求2所述的头戴显示器，其特征在于，

所述固定构件与所述第一光学壳体的嵌合状态为，将设置在所述固定构件的嵌合孔钩挂到设置在所述第一光学壳体的凸部而固定。

4.根据权利要求3所述的头戴显示器，其特征在于，

所述固定构件与所述第一光学壳体还利用固定螺钉在所述光轴方向上固定。

5.根据权利要求1所述的头戴显示器，其特征在于，

在所述固定构件与搭载在所述第一光学壳体的所述光源的间隙、以及所述固定构件与搭载在所述第二光学壳体的所述图像生成元件的间隙中，分别配置了散热材料。

6.根据权利要求5所述的头戴显示器，其特征在于，

在所述固定构件与所述外装壳体的间隙中，配置了散热材料。

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