CN203433191U - 一种视透率可调的头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种视透率可调的头戴显示装置，包括主体框架、摄像头、光学系统、控制系统和微显示器组，微显示器组包括两块重叠的透明显示屏，第一显示屏用于显示计算机生成图像CGI图像；第二显示屏为像素级控制视透率的显示屏，用于控制微显示器组的视透率，第一显示屏位于第二显示屏近眼侧，本实用新型通过与CGI图像显示屏重叠设置的第二显示屏调节HMD的视透率，由于第二显示屏每个像素都能被单独控制，可实现像素级视透率的控制，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

一种视透率可调的头戴显示装置

技术领域

本实用新型涉及可穿戴计算头戴显示设备领域，尤其涉及一种视透率可调的头戴显示装置。 

背景技术

头戴显示器（HMD，Head mounted display）又称抬头显示器(HUD，Headup display)，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。视透率描述的是视透式HMD的视透效果，在不同的光照环境下，视透率是否合适直接决定用户对HMD的体验度。现有视透式HMD通常采用如下两种方式来实现对透式率的控制： 

方式一：半透半反膜技术 

在介绍半透半反技术前，先介绍显示屏类型，按照“照明方式”屏幕可分为：反射型、全透型和半透半反型： 

反射型屏幕——屏幕背面有反光镜，为阳光、灯光下阅读提供光源，优点：在户外日照等强光源下表现优异；缺点：在弱光或无光下看不清或无法阅读。 

全透型屏幕——屏幕背面没有反光镜，靠背光提供光源，优点：弱光、无光下阅读能力优秀；缺点：在户外阳光下背光亮度严重不足，若单纯依靠提高背光亮度，会急速损失电量，而且效果也非常不理想。 

半反射型屏幕——将反射型屏幕的背面的反光镜换成镜面反光膜。而反光膜，正面看是镜子，而背面看能看穿镜子，是透明的玻璃。且加入全透型的背光。集中了两者的优点，兼具反射型屏幕在户外阳光下的优秀阅读能力，和全透型在弱光和无光下阅读的优异能力。 

半反半透膜是通过镀膜改变原来的投射和反射的比例，通过镀膜可以增透，加大光强，可以增反，减少光强。半反半透意思就是这个膜的透射率和反射率各50%，即光线经过这个薄膜以后，其透过的光强，和被反射回来的光强 各占50%。市面上也有60/40、70/30、80/20等比例的半反半透膜，但是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。 

方式二：液晶光阀实现视透率可调 

液晶光阀采用的是一种多层膜结构，由加在2个偏振片之间的玻璃基板、透明电极、分子配向层和液晶层组成，该液晶层整体为一个大像素，其作为光调制材料，选用的工作方式为透射式，它是利用长螺距液晶分子的旋光性和2片偏振方向一致的偏振片来工作的。在电场的作用下，液晶分子的初始排列改变为其他的形式，从而使液晶层的光学性质发生变化，即以“电”通过液晶对“光”进行调制。当此液晶层两端不加电压时，液晶分子不会使通过起偏器的偏振光的偏振方向发生变化，该偏振光可完全透过检偏器，偏振片的理论透射率仅为40～50，透射光强大约变为原来的一半，视透效果有限；当加上电压时，在外加电场的作用下，液晶分子的取向发生改变，使得通过起偏器的偏振光的偏振方向发生变化，该偏振光不能完全透过检偏器，从而改变了液晶光阀的透射率。在方式二中，由于直流电会造成器件老化，因此需要供给交流电，增加电源转换模块，不利于缩小HMD的体积与质量。另外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的，无法达到像素级视透率的调节。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种视透率可调的头戴显示装置，解决现有HMD显示屏视透率调节问题上的缺陷，实现像素级视透率的调节。 

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种视透率可调的头戴显示装置，包括主体框架（镜架）、摄像头、光学系统、控制系统和微显示器组，微显示器组包括两块重叠的透明显示屏，第一显示屏用于显示计算机生成图像CGI图像；第二显示屏为像素级控制视透率的显示屏，用于控制微显示器组的视透率，第一显示屏位于第二显示屏近眼侧。优选的，所述第二显示屏为单色LCD显示屏或单色OLED显示屏，第二显示屏的尺寸大于等于第一显示屏。 

其中，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 路为第一显示屏提供CGI图像，另一路为第二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。 

优选的，所述装置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第二显示屏的整个区域进行视透率调节。 

其中，在所述控制系统中预先设置有光强与视透率的映射关系，环境光强越强，视透率越低。 

优选的，图形处理器根据检测到的第一显示屏的被点亮区域，调节第二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第一显示屏上的呈现区域信息，调节第二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、触摸指令等方式，调节第二显示屏所对应区域的视透率。 

优选的，所述第一显示屏为LCD显示屏、OLED显示屏、LCoS显示屏中的一种。 

优选的，所述外部通信接口包括Wi-Fi、蓝牙、GPS、GPRS、USB中的一种或多种。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果： 

本实用新型用与CGI图像显示屏重叠设置的像素级控制视透率的显示屏来调节HMD的视透率，可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实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例头戴显示装置的一种结构示意图； 

图2为本实用新型实施例头戴显示装置中控制系统的结构示意图； 

图3为本实用新型实施例头戴显示器调节视透率的方法流程示意图； 

图4a为本实用新型实施例在环境光较弱时，强调节视透率的效果示意图； 

图4b为本实用新型实施例在环境光较强时，强调节视透率的效果示意图； 

图5a为本实用新型实施例CGI显示器区域示意图； 

图5b为本实用新型实施例根据图5a的CGI显示器区域调节视透率的效果示意图； 

图6a为本实用新型实施例AR显示区域示意图； 

图6b为本实用新型实施例根据图6a中的AR显示区域调节视透率的效果示意图； 

图中标记：1-镜架，2-摄像头，31-第一显示屏，32-第二显示屏，4-麦克风。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。 

鉴于上述现有技术均不能实现像素级视透率的调节，本实用新型的实用新型人想到利用一块单独的像素级控制视透率的显示屏来控制视透率（视透率就是透射率，视透率高的话，反射率就低）。所述像素级控制视透率的显示屏可以为LCD显示屏、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。 

首先来说说LCD显示屏（Liquid Crystal Display，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，因此本实用新型可采用单色透明LCD控制视透率，来实现像素级视透率的控制。 

下面说一下OLED显示屏（Organic Light-Emitting Diode，有机电激光显示），OLED显示屏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。OLED显示屏用于本实用新型实施例中，与LCD所要达到的效果一致，但是其控制视透率的原理有所区别：LCD是依靠液晶分子的扭曲来控制光的透射率；而OLED显示屏则是通过调节相关像素区域的灰度值，以实现在第一显示屏上需要调节视透率区域的外侧，形成一层具有一定透明度的光遮挡层，从而达到调节整个微显示器组视透率的目的。 

本实用新型实施例公开了一种视透率可调的头戴显示装置HMD，包括主体框架、摄像头、光学系统、控制系统及一组或两组微显示器组，每组微显示器组包括两块重叠的透明显示屏，第一显示屏用于显示计算机生成图像CGI图像；第二显示屏为像素级控制视透率的显示屏，用于控制微显示器组的视透率，第一显示屏位于第二显示屏的近眼侧。优选的，所述第二显示屏为单色LCD显示屏或单色OLED显示屏，第一显示屏与第二显示屏可以为同样大小尺寸，也可以是第二显示屏寸大于第一显示屏尺寸，即第二显示屏的尺寸大于等于第一显示屏。HMD可以为单目HMD，也可以为双目HMD，当为单目时，只有一组微显示器组，双目则有两组微显示器组。参见图1，为本实用新型实施例头戴显示装置的一种结构示意图，在该图示中，头戴现实装置为眼镜形式，主体框架为镜架1，在镜架上设置有摄像头2、麦克风4，光学系统级控制系统在图1中未示出，图1HMD包括两组微显示器组，如图1，每组微显示器组包括两块重叠的透明显示屏，第一显示屏31用于显示计算机生成图像CGI图像；第二显示屏32为像素级控制视透率的显示屏（如单色LCD显示屏或单色OLED显示屏），用于控制微显示器组的视透率，第一显示屏31位于第二显示屏32的近眼侧（内侧）。在本实用新型实施例中，所述第一显示屏可以为LCD显示屏，也可以为OLED显示屏、LCoS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）显示屏等常用微型显示屏。 

参见图2，为本实用新型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，一路为第一显示屏提供 CGI图像，另一路为第二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。 

本实用新型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，则需要在本实用新型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第二显示屏的整个区域进行视透率调节。在本实用新型实施例中，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4a，为本实用新型实施例在环境光较弱时，强调节视透率的效果示意图，当环境光较弱时，需要提高第二显示屏的视透率，以提高微显屏的CGI显示效果；；图4b为本实用新型实施例在环境光较强时，强调节视透率的效果示意图，当环境光较强时，可适当降低第二显示屏的视透率，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5a，因此，为了提高显示效果，可第二显示屏上与CGI图像所重合的显示区域的视透率降低。实现方式为：图形处理器根据检测到的第一显示屏的被点亮区域，调节第二显示屏所对应区域的视透率，如图5a展示的为CGI图像在第一显示屏上所占区域，图5b展示的为第二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第一显示屏上的呈现区域信息，调节第二显示屏所对应区域的视透率。参见图6a，图6a展示的为第一显示屏上的呈现的虚拟信息，图6b 展示的为第二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3，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第二显示屏整个屏幕区域的视透率（如图4a和图4b），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，检测第一显示屏是否显示CGI图像，若是，则根据CGI所在区域，在第二显示屏上调节对应区域的视透率（如图5a和图5b），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6a和图6b），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，调节第二显示屏所对应区域的视透率。 

本实用新型通过与CGI图像显示屏重叠设置的像素级控制视透率的显示屏来调节HMD的视透率，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。 

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型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 (10)

1.一种视透率可调的头戴显示装置，包括主体框架、摄像头、光学系统、控制系统和微显示器组，其特征在于，微显示器组包括两块重叠的透明显示屏，第一显示屏用于显示计算机生成图像CGI图像；第二显示屏为像素级控制视透率的显示屏，用于控制微显示器组的视透率，第一显示屏位于第二显示屏近眼侧。

2.如权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，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，一路为第一显示屏提供CGI图像，另一路为第二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。

3.如权利要求2所述的头戴显示装置，其特征在于，所述装置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第二显示屏的整个区域进行视透率调节。

4.如权利要求3所述的头戴显示装置，其特征在于，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2至4中任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，图形处理器根据检测到的第一显示屏的被点亮区域，调节第二显示屏所对应区域的视透率。

6.如权利要求2至4中任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，图形处理器根据从应用程序里提取出的虚拟信息在第一显示屏上的呈现区域信息，调节第二显示屏所对应区域的视透率。

7.如权利要求2至4中任一项所述的头戴显示装置，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，调节第二显示屏所对应区域的视透率。

8.如权利要求1至4中任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述第二显示屏为LCD显示屏或OLED显示屏。

9.如权利要求1至4中任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述第一显示屏为LCD显示屏、OLED显示屏、LCoS显示屏中的一种。

10.如权利要求2所述的头戴显示装置，其特征在于，所述外部通信接口包括Wi-Fi、蓝牙、GPS、GPRS、USB中的一种或多种。

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