透视型头戴式显示装置的制作方法

本发明涉及一种头戴式显示装置(Head mounted display)，尤其涉及佩戴在使用者的头部并将以虚拟画面来提供的信息和外部影像融合而向使用者提供复合影像信息的透视型(See-Through type)头戴式显示装置。

背景技术：

一般来讲，头戴式显示装置(Head Mounted Display，HMD)由佩戴在使用者的头部的头戴部、与上述头戴部结合并靠近使用者的眼睛而提供影像的近眼显示器构成。上述近眼显示器通常是以一个至两个微小平视元件、放大透镜、以及与其相关的光学系统来具体实现。

这种头戴式显示装置最近主要用于具体实现军事、医疗、以及教育用影像系统和娱乐用虚拟现实系统等的影像的用途，最近还应用于家庭用或携带用影像装置。头戴式显示装置还区分为沉浸式(Immersive type)或透视型(See-Through type)。

头戴式显示装置由于近眼显示器的图像以非常小的面积来显示，因而为了放大图像而使用放大透镜使得使用者能够收视最大限度地大的画面。然而，若使用这种放大透镜和光学系统，则必然产生光学畸变(Optical Distortion)。在长时间佩戴头戴式显示装置的情况下，该光学畸变在眼睛引发严重的疲倦感而成为难以长时间佩戴的原因。

尤其，透视型头戴式显示装置由于将通过棱镜所透视的外部影像和虚拟画面融合而提供，因此，存在光学畸变现象尤为凸显的问题。这种光学畸变现象虽然随光学系统的设计而能够最小化，但完全消除起来存在困难。另一方面，虽然利用影像处理方法也能够消除一部分畸变，但在该情况下需要有价格昂贵的硬件构成，因而在头戴式显示装置适用起来存在局限性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国公开专利公报第2011-0234584号(2011年09月29日公开)

技术实现要素：

所要解决的问题

因此，旨在解决前面所述的问题的本发明的目的在于，提供一种使因光学系统的透 镜构成而产生的光学畸变现象最小化，并进一步提高了佩戴及使用效率的透视型头戴式显示装置。

解决问题方案

根据本发明的透视型头戴式显示装置，其特征在于，具备：佩戴部，其佩戴在使用者的头部；壳体，其设置于上述佩戴部且位于与使用者的脸部对应的位置；显示器，其设置于上述壳体内部，且位于与上述使用者的视线方向垂直的位置；以及，光学系统，其设置于上述壳体内部，且位于使用者的视线方向，上述光学系统包括设置于靠近上述显示器的位置的分光棱镜(Beam splitter prism)、以及设置于上述显示器与上述分光棱镜之间的非球面透镜，上述分光棱镜包括倾斜面所对应的一对棱镜、设置于上述一对棱镜之间的偏振光反射薄膜、设置于上述一对棱镜下端的曲面镜、以及设置于上述一对棱镜与上述曲面镜之间的偏振片。

本发明的透视型头戴式显示装置，其特征在于，上述非球面透镜位于与上述显示器的显示面相同而与使用者的视线垂直的方向。

在上述壳体内部能够设置运动(Motion)传感器，上述运动传感器能够包括陀螺仪传感器、磁传感器(Magnetic sensor)、加速度传感器，且能够检测使用者的头部动弹。

在上述壳体内部能够设置摄像机，上述摄像机所记录的影像能够实时成流(Streaming)。为此，本发明的透视型头戴式显示装置其特征在于，上述摄像机设置于靠近使用者的眼睛的位置且所测定的方向与使用者的视场方向相同，从而记录与进入上述使用者的视场的影像相同的影像。

上述运动传感器、上述摄像机、以及上述显示器通过电子电路能够供电并传递信息，且控制上述电子电路的控制板能够由另外的控制板构成。

上述显示器和上述光学系统能够包括分别与使用者的双眼对应的第一显示器和第一光学系统以及第二显示器和第二光学系统。

本发明的透视型头戴式显示装置能够具备向上述第一显示器和上述第二显示器提供影像的处理器，并能够具备向上述处理器提供影像信号的外部源。

上述处理器能够将从上述外部源所接收的影像信号分割而向上述第一显示器和上述第二显示器提供。

上述佩戴部以眼镜形态固定于使用者的脸部，在眼镜两腿末端部分结合有带子而能够以包裹上述使用者的头围的方式固定，在上述带子设置有魔术贴，从而能够调节内径 以使上述带子适配于上述使用者的头部大小。

上述壳体进一步具备能够进行更换的多种大小的鼻子支撑部，该鼻子支撑部能够选择最适合于使用者的鼻子高度、宽度、以及形状的类型而使用。

在上述壳体的前表面能够具备位于上述使用者的视场方向且设有吸收型偏振薄膜或涂覆有吸收型偏振涂层的窗口。

发明效果

如前所述，本发明在通过非球面光学系统而透射提供高分辨率的微型显示器的影像时，使影像的畸变最小化，从而具有能够向使用者提供稳定且鲜明的影像的优点。

另外，本发明融合通过光学系统而透视的外部影像，从而能够向使用者提供复合影像信息。

另外，本发明由于透镜的一部分使用塑料透镜且切除透镜的不必要的上下端部，因而具有使重量最小化的效果。

附图说明

图1a和图1b是根据本发明的透视型头戴式显示装置的立体图。

图2是根据本发明的透视型头戴式显示装置的分解立体图。

图3是图示了根据本发明的透视型头戴式显示装置所具备的光学系统的图。

图4是根据本发明的透视型头戴式显示装置的框图。

图5是测定了根据本发明的透视型头戴式显示装置所具备的光学系统的畸变率的曲线图。

符号说明

100—佩戴部，101—第一眼镜腿，102—第二眼镜腿，103—第一带子，104—第二带子，200—壳体，201—第一铰链支架，202—第二铰链支架，203—鼻子支撑部，210—前方罩，211—偏振光吸收薄膜，212—偏振光镜框，213—摄像机窗口，220—后方罩，221—透视窗，230—控制模块，231—摄像机处理器，232—头部跟踪处理器，240—构架，250—光学壳体，300—集成模块，301—主线缆，302—上部罩，303—下部罩，304—集成板，400—显示模块，410—第一微型显示器，420—第二微型显示器，430—显示器控制板，440—分光棱镜，441—第一棱镜，442—第二棱镜，443—偏振光反射薄膜，444—曲面镜，445—偏振片，450—第一非球面透镜，460—第二非球面透镜，470—使用者的眼球，500—外部源。

具体实施方式

下面参照附图详细说明对于根据本发明的透视型头戴式显示装置的实施例。下面所说明的实施例是为了向本领域普通技术人员完整地告知发明的范畴而提供的，本发明能够以多种方式具体实现而并不限定于下面所公开的实施例。

各图中各相同的符号无论在何处也尽可能表示相同的构成。在下述说明中出现各个具体特定事项，而这只是为了有助于更为全盘地理解本发明而提供的，并不是要将本发明限定在特定的实施方式，应当理解成涵盖包括在本发明的思想和技术范围内的所有变更、等同物以至替代物。而且，在说明本发明过程中，在判断为对于相关的公知功能或构成的具体说明有可能使本发明的要旨不必要地模糊的情况下省略其详细说明。

第一、第二等用语虽然能够用于说明多种构成要素，但上述各构成要素不得由上述各用语所限定。上述各用语仅仅用于使一个构成要素区别于其它构成要素的目的。例如，在不逸出本发明的权利范围的情况下第一构成要素能够被命名为第二构成要素，与此类似地、第二构成要素也能够被命名为第一构成要素。

在提及到某个构成要素与另一构成要素“连接”或“接合”时，虽然可以理解为与该另一构成要素直接连接或接合，但应当理解为两者之间还能够存在其它构成要素。与此相反，在提及到某个构成要素与另一构成要素“直接连接”或“直接接合”时，应当理解为两者之间并不存在其它构成要素。

单个的表达除非文脉上明显地另具其它含义，否则就包括多个表达。在本申请中，“包括”或“具有”等用语应当理解为只是为了指出说明书中所记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、配件或它们的组合存在，并不是预先排除一个或其以上的其它各个特征或数字、步骤、动作、构成要素、配件或它们的组合的存在或附加可能性。

除非另有定义，否则这里所使用的包括技术或科学用语在内的所有用语具有与本领域普通技术人员所一般理解的含义相同的含义。如在通常使用的词典中所定义那样的各用语应当解释为具有与相关技术的文脉中所含的含义一致的含义，除非在本申请中并未清楚地定义，否则就不得解释成理想的或过度地形式上的含义。

所附的框图的各框也能够通过各计算机程序指令(Instruction)而执行。这些各计算机程序指令能够安装在通用计算机、特殊用计算机或其它可编程的数据处理设备的处理器。

为了以特定方式来具体实现功能，这些各计算机程序指令可以存储在计算机或其它 能够用作可编程的数据处理设备的计算机或可利用或计算机可读存储器中。

图1a和图1b是图示了根据本发明的透视型头戴式显示装置的一例的立体图，如所图示，根据本发明的头戴式显示装置具备佩戴在使用者的头部的佩戴部100、设置于上述佩戴部100且用于位于使用者的脸部的显示器的壳体200、以及与上述壳体200连接的集成模块(Integration module)300。

佩戴部100具备包裹使用者的头围的一对眼镜腿即第一、第二眼镜腿101、102以及与第一、第二眼镜腿101、102结合而包裹使用者的头部的第一、第二带子103、104。第一、第二带子103、104通过附着于一侧面的魔术贴(velcro)等固定单元而能够固定，通过箍紧带子就能够以适合使用者的头部大小的方式进行调节。

第一、第二眼镜腿101、102通过第一、第二铰链支架201、202与壳体200结合。以第一、第二铰链支架201、202连接的结合部分能够自如地旋转，且两侧第一、第二眼镜腿101、102设计成向壳体200侧折叠从而减少携带时的体积。

壳体200呈四方箱体形状，在其下侧中央部分形成有使用者的鼻子和鼻梁部分所就位的鼻子支撑部203，从而能够调节壳体200的上下高度。

集成模块300通过主线缆301与壳体200内部控制板(control board)连接，且如图2中所图示，在上部罩302与下部罩303之间设置有集成板(Integration board)304。

图2是根据本发明的透视型头戴式显示装置的分解立体图，以下参照图2而进一步详细说明根据本发明的透视型头戴式显示装置。

如图2中所图示，形成外观的壳体200由前方罩210和后方罩220构成而形成整体外观。在后方罩220的上部正下方具备控制模块230，该控制模块230包括用于控制摄像机的摄像机处理器231和用于进行运动感测(sensing)的头部跟踪处理器232。在控制模块230的下部具备构架(frame)240。

在构架240的下部具备光学壳体250，在上述光学壳体250的上部具备显示模块400，显示模块400由第一、第二微型显示器410、420和显示器控制板430构成。第一、第二微型显示器410、420设置于显示器控制板430的下端。

在上述光学壳体250的下部设置分光棱镜(Beam splitter prism)440。在上述显示模块400与分光棱镜440之间设置第一非球面透镜450和第二非球面透镜460，第一非球面透镜450的光轴位于与第一微型显示器410的中心一致的轴，且第二非球面透镜 460位于与第二微型显示器420的中心一致的轴。

壳体200的前方罩210在暴露于外部的部分具备保护分光棱镜440的偏振光镜框212，为了减少从外部进入使用者的眼睛的光量，偏振光吸收薄膜211固定于偏振光镜框212。另外，用于使摄像机的传感器暴露的摄像机窗口213位于前方罩210上部的中央。而且，壳体200的后方罩220在佩戴在使用者脸部的部分具备用于保护分光棱镜440的透视窗221。

以相同的构成来实施图2的第一非球面透镜450和第二非球面透镜460。因此，通过对于第一非球面透镜450的实施例的说明就能够理解第二非球面透镜460的构成。

图3是图示了根据本发明的透视型头戴式显示装置所具备的光学系统的图，如所图示，光学系统包括设置于靠近第一微型显示器410的位置的非球面透镜450和分光棱镜440。分光棱镜440包括2个棱镜即第一、第二棱镜441、442、设置于上述第一、第二棱镜441、442之间的偏振光反射薄膜443、设置于上述第一、第二棱镜441、442下端的曲面镜444、以及具备于上述第一、第二棱镜441、442与曲面镜444之间的偏振片445。第一微型显示器410面的中心与第一非球面透镜450和曲面镜444的光轴一致。

分光棱镜440设置于靠近使用者的脸部的位置，使用者通过第一、第二棱镜441、442和偏振光反射薄膜443能够观察到外部影像。第一微型显示器410的影像依次通过第一非球面透镜450、第一棱镜441、偏振光反射薄膜443、第二棱镜442、偏振片445、以及曲面镜444。影像光的一部分通过偏振光反射薄膜，且一部分朝向壳体200前表面部方向反射。

另一方面，到达了曲面镜444的影像在被反射而依次通过偏振片445和第二棱镜442之后在偏振光反射薄膜443朝向使用者的眼球470方向反射。根据上述构造，根据本发明的透视型头戴式显示装置将外部影像和第一微型显示器410影像同时向使用者提供。

图4是根据本发明的透视型头戴式显示装置的框图，如图2中所图示，与第一、第二非球面透镜450、460一起设置的第一、第二微型显示器410、420在分光棱镜440的上部沿与使用者的视线垂直的方向显示影像。

第一、第二微型显示器410、420使用1920×1080的高分辨率的微型薄膜显示装置。例如，能够使用有机发光二极管(Organic Light Emitting Diodes，OLED)或液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)。根据本发明的实施例的显示装置使用定标器(scaler)而能够以最小配件来具体实现。

为了进行运动感测而设置于壳体200的内部控制模块230的头部跟踪处理器232能够进行使得画面也随使用者的头部动弹而一起移动的、提供自适应影像的运动跟踪(Motion tracking)动作。

另一方面，设置于壳体200的内部而向第一、第二微型显示器410、420提供影像的显示器控制板430还能够将影像分割而向第一微型显示器410和第二微型显示器420提供。

向显示器控制板430提供影像信号的外部源(External source)500可另行具备于壳体200的外部。能够从外部源500向集成模块300的集成板304传输数据，且集成板304通过主线缆301向显示器控制板430传递数据。此时，外部源500通过如USB(通用串行总线)或HDMI(高清晰度多媒体接口)那样的有线通信方式或近距离无线通信方式能够与集成板304进行数据传输和接收。另外，利用USB或HDMI并通过集成模块300能够从外部源500接受用于显示模块400和控制模块230的动作的供电。

图5是测定了根据本发明的透视型头戴式显示装置所具备的光学系统的畸变率的曲线图，如所图示的测定曲线图所示，能够得到畸变率(Distortion ratio)大致为5％左右的非常低的结果。另外，第一、第二非球面透镜450、460均能够被切除上下部而缩小到第一、第二微型显示器410、420的光学黑区(Black area)内以能够提供宽视场(Wide view)。

另外，根据本发明的光学系统以提供60°的视场角(Field of View，FOV)的方式构成。

另外，根据本发明的光学系统能够使用以塑料材质制造的光学系统，如上所述，切除第一、第二非球面透镜450、460和曲面镜444的上下部，从而能够整体上减轻透镜的重量。

另外，根据本发明的光学系统若切除透镜的上下部，则能够将容纳各透镜的光学壳体250的形态制作成四方形，因此，能够减小镜筒的大小，由此能够缩小壳体的形态。

以下，对于如前面所述那样构成的根据本发明一实施例的透视型头戴式显示装置的作用进行说明。

使用者将头戴式显示装置佩戴在头部并牢靠地箍紧第一、第二带子103、104以适配使用者的头部。另外，调节第一、第二眼镜腿101、102和第一、第二带子103、104的固定位置而调节壳体200的位置。鼻子支撑部203以高度不同的方式来提供，从而使 用者通过更换鼻子支撑部203而能够调节头戴式显示器的上下位置。

接着，若第一、第二微型显示器410、420开始动作，则影像信号从外部源500向集成模块300传递，集成模块300通过主线缆301向显示器控制板430提供影像信号。向显示器控制板430提供的信号可以是分别对于第一微型显示器410和第二微型显示器420分割的信号。此时，显示器控制板430还能够与第一微型显示器410和第二微型显示器420对应地分割影像信号。

若影像信号提供至显示器控制板430，则显示器控制板430分别向第一微型显示器410和第二微型显示器420输出提供影像信号。若使用者的头部在向第一微型显示器410和第二微型显示器420提供影像信号期间动弹，则头部跟踪处理器232检测出头部动弹并向控制模块230传递信号。摄像机处理器231记录壳体200前方的影像，并向控制模块230传递相应信息。

控制模块230通过主线缆301向集成板304传输所检测的动弹信号和摄像机影像信号。集成板304以如USB那样的有线通信方式或近距离无线通信方式向外部源500传递信号。外部源500对该动弹信号进行计算而提取与动弹对应的跟踪画面之后通过集成模块300向显示器控制板430传输上述跟踪画面。而且，显示器控制板430向第一微型显示器410和第二微型显示器420提供跟踪影像。另外，外部源500通过集成模块300向显示器控制板430传输摄像机影像信息而向第一、第二微型显示器410、420提供摄像机影像。外部源500能够在所接收的摄像机影像信息追加图形而向头戴式显示器传输，从而向使用者提供虚拟图形或其它信息。

前面所述的根据本发明的实施例的透视型头戴式显示装置总共使用4片透镜和棱镜，且作为光学系统材料能够使用玻璃或塑料。尤其，各非球面透镜和曲面镜可以切除上下部，从而能够减少头戴式显示装置的重量。而且，使适用于电路板的各配件紧凑，从而无需使用如控制器那样的追加装置也能够具体实现且分散每一单位面积所集中的重量而具体实现使得使用者能够感觉更轻。

另外，根据本发明的实施例的透视型头戴式显示装置以最少的配件来降低了电阻，另外，在实施例中能够使用HDMI专用接收器(Receiver)，且利用开关调节方式能够以3个芯片的电力使3个代表性分辨率动作，从而具体实现了使用最小限度的电力。

另一方面，在本发明的详细说明中，虽然以参照了附图的优选实施例为中心进行了描述，但在不逸出本发明的范围的限度内当然能够进行各种变形。因此，本发明的范围不得局 限于所说明的实施例而定，应由所附的权利要求书以及与该权利要求书等同的范围而定。