CN112639578A - 头戴式显示器和具有这种头戴式显示器的游乐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种头戴式显示器(HMD)(1)，其具有：具有内部空间(11)的壳体(10)；至少一个光学透镜(15，17)，所述光学透镜(15，17)具有位于焦点(16，18)处的焦平面(5)，所述焦平面(5)布置在所述壳体(10)内；至少一个具有第一偏振方向的第一偏振滤光器(21)和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器(22)；以及至少一个LCD单元(25)，其中，所述至少一个LCD单元(25)布置在所述第一偏振滤光器(21)和所述第二偏振滤光器(22)之间的所述焦平面(5)的区域中，并且其中，所述第一偏振滤光器(21)和/或所述第二偏振滤光器(22)布置成距所述焦平面(5)一定距离。本发明还涉及一种具有HMD(1)的游乐装置(2)，尤其是露天游乐设施、过山车或旋转木马。

Description

头戴式显示器和具有这种头戴式显示器的游乐装置
技术领域
本发明涉及具有权利要求1的特征的头戴式显示器(HMD)，该头戴式显示器具有用于室内使用和室外使用的改进的特征和改进的对自然日光辐射的抵抗力。另外，本发明涉及一种具有权利要求9的特征的具有至少一个这种头戴式显示器的游乐装置、尤其是露天游乐设施、过山车或旋转木马。
背景技术
从现有技术中已知具有各种配置的头戴式显示器，以下称为HMD，头戴式显示器用于在使用者的视野中显示人工生成的表象。为此，HMD可以定位或附接到头部和人的眼睛前方，其中，图像可以覆盖人的视野中的尽可能大的区域。这种类型的显示设备主要用在VR(虚拟现实)眼镜领域中以生成虚拟现实。在该情况下，也可以基于与人的头部运动同步的VR眼镜的位置和/或取向来实时适配虚拟现实的表象。光学现实也可以由相机记录并在HMD的显示中通过导入“增强现实效果”来增强。
HMD通常包括具有内部空间的壳体。在内部空间中布置有一个两部分式显示单元或两个显示单元，可以由人通过每只眼睛的一个光学透镜来捕捉其表象。每个显示单元通常包括背光、第一偏振器、LCD单元和第二偏振器。LCD单元包括两个电极，这两个电极分别布置在各自相对的侧面上，通过它们可以影响位于电极之间的液晶，使得通过液晶辐射的光的偏振旋转。
根据通过LCD单元出射的光的偏振情况，背光的光束可以通过第二偏振滤光器出射并且因此由人的眼睛感知。
在现有技术中已经证明了这种HMD的使用。尤其是对于HMD的使用，已经开发了许多应用，这些应用例如提高了游乐装置、尤其是露天游乐设施、过山车或旋转木马等的体验价值。这种游乐装置通常位于封闭空间的外部，由此HMD暴露于所有可能的环境条件下。除了可能的大温度范围外，，HMD还必须防尘和防潮，以便可以在所有天气条件下在游乐装置中实现VR体验。
已经发现不利的是，现有技术中已知的HMD，尤其是当它们在封闭空间的外部使用时，而且当它们在内部空间中存放在窗后方并因此暴露于日光时，在显示单元上遭受永久性光斑形式的损坏。已经发现，当将HMD放置在辐射日光的区域中时，光穿过光学透镜进入到HMD的壳体的内部空间中并破坏显示单元。日光由光学透镜聚焦并且以在焦点区域中聚焦的方式照射到显示单元上，该显示单元由于受热而被破坏。
发明内容
在此提出本发明。
本发明所基于的目的是提供一种改进的HMD，其便利地消除了现有技术中已知的HMD的缺点，并且适合于室外使用，尤其是适合于娱乐装置、过山车和旋转木马，而且还适合于在家庭的内部空间中使用。根据本发明的HMD应对直射的阳光不敏感。当人(例如游乐设备的乘客)在游乐设备中体验前后戴上或摘下HMD时，太阳光通常会进入HMD，但当HMD被放置在室内的窗前或光照强度较高的空间中时，太阳光也会进入HMD。当人(例如游乐装置的乘客)在游乐装置中体验之前或之后戴上或摘下HMD时，以及当将HMD在内部空间中放置在窗前方或者放置在光线强度高的空间中时，日光束通常会进入HMD。
根据本发明，这些目的通过具有权利要求1的特征的HMD来实现。此外，根据本发明，这些目的通过具有权利要求9的特征的游乐装置来实现。
从属权利要求包含本发明的进一步有利的改进方案。
根据本发明的HMD包括：具有内部空间的壳体；至少一个光学透镜，所述光学透镜具有位于焦点处的焦平面，所述焦平面布置在所述壳体内；至少一个具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器；以及至少一个LCD单元，其中，所述至少一个LCD单元布置在所述第一偏振滤光器和所述第二偏振滤光器之间的所述焦平面的区域中，并且其中，所述第一偏振滤光器和/或所述第二偏振滤光器布置成距所述焦平面或所述LCD单元一定距离以及热脱离。
根据本发明的HMD基于令人惊讶的发现，即入射光束由光学透镜聚焦并且不会破坏LCD单元，而只有第一偏振滤光器和/或第二偏振滤光器受热影响而损坏。因此，根据本发明的HMD基于这样的措施，即，将第一偏振滤光器和/或第二偏振滤光器以距位于焦点处的焦平面一定距离方式布置。由此，由入射光束引起的热负荷减小到如此程度，使得HMD可以无损无碍地暴露于日光。
本发明的另一个有利的设计方案提供的是，在所述LCD单元与所述第一偏振滤光器和/或所述第二偏振滤光器之间布置有趋势间隙。趋势间隙用于第一偏振滤光器和/或第二偏振滤光器的热脱离和/或机械脱离。由此，一方面，在第一偏振滤光器和/或第二偏振滤光器之间相对于光学透镜的焦平面设定了足够的距离，另一方面，减小了在LCD单元和相关偏振滤光器之间的热传递。特别优选地，趋势间隙填充有气态介质，其中，特别优选地，壳体的整个内部空间填充有该气态介质。该介质进一步优选为非反应性气体、优选为纯化气体、工业气体或气体混合物。
根据本发明的另一个优选的设计方案提供的是，在所述至少一个LCD单元和所述至少一个光学透镜之间布置有所述至少一个第二偏振滤光器，其中，在所述至少一个LCD单元和所述至少一个第二偏振滤光器之间的距离为在所述至少一个LCD单元和所述至少一个光学透镜之间的距离或所述光学透镜的焦距的至少1/25。即，已经发现，即使光学透镜的焦距和偏振滤光器之间的微小距离也足以减少穿过透镜的光束在偏振滤光器上的热效应，而不会影响由佩戴HMD的人所感知的显示图像的表象。
已发现有利的是，所述至少一个第二偏振滤光器布置在所述至少一个光学透镜的面向所述至少一个LCD单元的侧部上。为此，第二偏振滤光器可以直接施加或布置在光学透镜上，或者替代地可以布置在光学透镜内。尤其是已证实有利的是，偏振滤光器布置在至少一个光学透镜和与光学透镜等距的LCD单元之间以避免光折射。因此，穿过光学透镜的光束以直角照射或穿过偏振滤光器。
本发明的另一个有利的实施方式提供的是，所述第一偏振滤光器的所述第一偏振方向和所述第二偏振滤光器的所述第二偏振方向是不相同的。尤其优选的是，第一偏振滤光器和第二偏振滤光器是线性偏振滤光器并且第一偏振方向垂直于第二偏振方向取向。
尤其是对于在室外或露天使用游乐装置来说，已证实有利的是，所述壳体的所述内部空间由所述至少一个光学透镜封闭。根据本发明，HMD既要有足够的防溅水能力，例如可以防雨防尘，又可以在简单的清洗过程中进行消毒或清洗，以便在游乐装置中重复使用。因此，一方面，可以实现游乐装置中迅速卫生安全的再使用，另一方面，不会有对所产生的表象产生负面影响的异物进入壳体的内部
尤其有利的是，用于室外应用的壳体至少对应于标准IP4X，其中，特别优选地应实现比IP4X更高的防异物保护标准。尤其优选的是，保护标准至少对应于IP6klX。另外，特别有利的是，用于室外应用的HMD至少对应于防水保护等级IPX4，其中，更优选地具有至少IPX4k，并且更优选地具有IPX6。
本发明的另一方面涉及一种游乐装置，尤其露天游乐设施、过山车或旋转木马，而且还涉及一种具有至少一个HMD的在室内和室外用于家庭应用的游乐装置，其中，所述HMD优选地用作VR眼镜并且具有：具有内部空间的壳体；和至少一个光学透镜，所述光学透镜具有位于焦点处的焦平面，所述焦平面布置在所述壳体的所述内部空间内。此外，所述HMD还具有：至少一个具有第一偏振方向的第一偏振滤光器和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器；和至少一个LCD单元，其中，所述至少一个LCD单元布置在所述第一偏振滤光器和所述第二偏振滤光器之间的所述焦平面的区域中，并且其中，所述第一偏振滤光器和/或所述第二偏振滤光器与所述焦平面间隔开并且热脱离。具有根据本发明的HMD的游乐装置可以特别经济地操作，因为根据本发明的HMD的预期使用寿命显著增加，并且由于HMD的相应设计，该HMD可以在游乐装置中使用后进行经济和卫生地清洁或消毒，以便其可以在游乐装置中迅速重复使用。
根据本发明的另一个有利的设计方案提供的是，所述HMD借助有线和/或无线接口与所述游乐装置连接，其中，所述游乐装置具有一个中央或多个分散数据处理系统，所述数据处理系统生成在特定HMD中显示的虚拟现实。特别有利的是，根据本发明的游乐装置包括在乘客使用后可以清洁或消毒HMD的装置。
附图说明
下面参照附图详细说明根据本发明的示例性实施例。在附图中：
图1示出了头戴式显示器(HMD)的示意性局部剖视图，该头戴式显示器(HMD)设计用于立体表象虚拟现实。
具体实施方式
图1示出了头戴式显示器1的示意图，该头戴式显示器1在以下称为HMD 1，其设置成佩戴在人的头部(未示出)上。HMD 1例如可以是VR眼镜，并用优选的立体表象、更优选的人工生成的表象(所谓虚拟现实)来代替人当前视野中的光学现实。
为此，HMD 1包括壳体10，该壳体10可以例如借助紧固装置(未示出)紧固在人的头部或身体上，并且如此定位在人眼的前方，使得其视野由壳体10完全覆盖。
壳体10优选地设计为罐状并且包括两个光学透镜15、17，该两个光学透镜15、17分别分配给人的一只眼睛。壳体10包围内部空间11，该内部空间11通过两个光学透镜15、17相对于异物尤其是灰尘以及水尤其是溅水或雨水密封。
在所示的实施例中，两个光学透镜15、17是会聚透镜，每个透镜都具有位于焦平面5上的焦点16、18，这些透镜面向内部空间11地布置在壳体10的内部空间11的侧部上。
在壳体10的内部空间11中，设置有至少一个具有第一偏振方向的第一偏振滤光器21、LCD单元25、具有第二偏振方向的第二偏振滤光器22，以及背光29，以防环境影响，其中，由背光29发射的光线L在到达光学透镜15、17之前先到达第一偏振滤光器21并照射LCD单元25和第二偏振滤光器22。其中，由背光29发出的光束L首先到达第一偏振滤光器21，穿过LCD单元25和第二偏振滤光器22，然后光束L可以到达光学透镜15、17。第一偏振滤光器21和第二偏振滤光器22是线性偏振滤光器，并且第一偏振方向和第二偏振方向相对于彼此旋转，其中，第一偏振方向相对于第二偏振方向优选旋转90°。
在背光29发出非偏振光的同时，由背光29发出的光首先流过第一偏振滤光器21，该第一偏振滤光器21在一个偏振方向上对该光进行线性偏振。随后是LCD单元25，该LCD单元25由第一电极26和第二电极27组成，其中，在第一电极26和第二电极27之间布置有液晶28，该液晶28依赖于第一和第二电极26、27的通电使光的偏振面旋转，从而可以依赖于电极26、27的通电来对光的偏振产生影响，并且可以设定光是否穿透第二偏振滤光器22。
为了确保以足够的清晰度感知针对人所生成的表象，LCD单元25必须布置在相关光学透镜15、17的焦点16、18的区域中。
在图1所示的实施例中，第一偏振滤光器21以与LCD单元25直接相邻的方式布置在面向背光29的侧部上。相反，第二偏振滤光器22布置成距LCD单元25和焦平面5一定距离。在LCD单元25和第二偏振滤光器22之间构成有趋势间隙20，第二偏振滤光器22通过该趋势间隙与LCD单元25热和机械地脱离。热脱离防止热通过高热阻在LCD单元25和第二偏振滤光器22之间传递。
第二偏振滤光器22和LCD单元25之间的趋势间隙20可以由介质(未示出)填充，该介质特别优选为气态介质。更优选地，该介质为非反应性气体或具有低导热率的气体混合物。
在焦平面5或LCD单元25与第二偏振滤光器22之间的距离A优选为焦距F、即在焦平面和相关光学透镜15、17之间的距离的至少1/25，其中，在焦平面5和第二偏振滤光器22之间的距离A可以设计成所需大小。因此，应为A≥1/25*F。
例如，可以规定的是，第二偏振滤光器22也直接布置在光学透镜15、17面向LCD单元25的侧部上。尤其优选的是，第二偏振滤光器22如此构成，使得穿过光学透镜15、17的光束L总是垂直地穿过第二偏振滤光器22，由此减少光折射。这尤其是当第二偏振滤光器22具有与光学透镜15、17相对应的曲率时实现。
HMD 1可以包括合适的传感器系统，通过该传感器系统可以检测人的运动或人的头部的运动。另外，HMD 1可以具有无线和/或有线接口，HMD 1可以通过该无线和/或有线接口与游乐装置2的生成虚拟现实的数据处理系统连接。根据本发明，数据处理系统可以特别优选地生成游乐装置专用的虚拟现实，该虚拟现实被再现在相应的HMD上。
附图标记说明：
1 HMD
2 游乐装置
5 焦平面
10 壳体
11 内部空间
15 透镜
16 焦点
17 透镜
18 焦点
20 趋势间隙
21 第一偏振滤光器
22 第二偏振滤光器
25 LCD单元
26 第一电极
27 第二电极
28 液晶
29 背光
A 距离
F 15、17的焦距
L 光束

Claims (10)

1.一种HMD(1)，其具有：
－具有内部空间(11)的壳体(10)；
－至少一个光学透镜(15，17)，所述光学透镜(15，17)具有在所述壳体(10)的所述内部空间(11)中位于焦点(16，18)处的焦平面(5)；
－至少一个具有第一偏振方向的第一偏振滤光器(21)和具有第二偏振方向的第二偏振滤光器(22)；以及
－至少一个LCD单元(25)，
－其中，所述至少一个LCD单元(25)布置在所述第一偏振滤光器(21)和所述第二偏振滤光器(22)之间的所述焦平面(5)的区域中，并且
－其中，所述第一偏振滤光器(21)和/或所述第二偏振滤光器(22)布置成距所述焦平面(5)一定距离。
2.根据权利要求1所述的HMD(1)，其特征在于，在所述LCD单元(25)与所述第一偏振滤光器(21)和/或所述第二偏振滤光器(22)之间布置有分离间隙(20)。
3.根据权利要求1或2所述的HMD(1)，其特征在于，在所述至少一个LCD单元(25)和所述至少一个光学透镜(15、17)之间布置有所述至少一个第二偏振滤光器(22)，并且在所述至少一个LCD单元(25)和/或所述焦平面(5)与所述至少一个第二偏振滤光器(22)之间的距离(A)为在所述至少一个LCD单元(25)和所述至少一个光学透镜(15，17)之间的距离的至少1/25。
4.根据前述权利要求中任一项所述的HMD(1)，其特征在于，所述至少一个第二偏振滤光器(22)布置在所述至少一个光学透镜(15，17)的面向所述至少一个LCD单元(25)的侧部上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的HMD(1)，其特征在于，在所述LCD单元(25)的背离所述光学透镜(15，17)的侧部上布置有背光(29)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的HMD(1)，其特征在于，所述第一偏振方向和所述第二偏振方向是不相同的，优选地旋转90°。
7.根据前述权利要求中任一项所述的HMD(1)，其特征在于，所述壳体(10)的所述内部空间(11)由所述至少一个光学透镜(15，17)封闭。
8.根据前述权利要求中任一项所述的HMD(1)，其特征在于，所述HMD(1)具有至少一种防异物保护等级IP4X和/或至少IPX4的防水保护等级。
9.一种游乐装置(2)，尤其是露天游乐设施、过山车或旋转木马，其具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的HMD(1)。
10.根据权利要求9所述的游乐装置(2)，其特征在于，所述HMD(1)通过有线接口与所述游乐装置(2)连接，或者所述HMD(1)通过无线接口与所述游乐装置(2)连接。
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