一种头戴显示器的制作方法

专利名称：一种头戴显示器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子信息领域，涉及电子工程、光电工程技术、人机交互技术、显示器技术， 具体是一种头戴显示器。
背景技术：
头戴显示器(Head Mounted Display, HMD)又称头盔显示器(Helmet Mounted Display， HMD)，是一种至少包含一个微型图像源(Image Source,简称像源)及相应光学系统的近眼 显示装置(Mdzer， Mo伍tt 1997)。 HMD特殊的人机交互特性使其可结合"增强现实"和"可 穿戴计算"技术广泛应用于科研、教育、医疗、游戏、工业、军事等各个领域。
基本的HMD由像源子系统(包括像源器件及其驱动控制电路)、光学子系统、支持子系 统构成，也可在基本的HMD上扩展耳麦、摄像头等部件形成多交互通道HMD。各子系统所 采用技术和元器件的不同使得整个HMD的形式千变万化，发展现状如下HMD的像源技术 目前以硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)技术和有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode， OLED)技术为主。光学系统所采用的元件正在从传统光学元件(Conventional Optical Elements, COE)向非球面光学元件和自由曲面棱镜(Free-Form Surface Prism， FFSP) 元件过渡，全息光学元件(Holographic Optical Elements,HOE)和二元光学元件(Binary Optical Element, BOE)等物理光学元件的采用也是其发展的重要趋势。HMD的支撑子系统有头带 式、头盔式、眼镜式等多种形式。现有各种HMD可从视觉形式上分为单目与双目两种，也 可分为"视透"与"非视透"两类。
在HMD整机产品方面，目前从事HMD整机研发和生产的厂商约有20家，主要代表有 美国的MicroOptical、 Kaiser、 eMagin、 Liteye，加拿大的TekGear和CAE,德国的Trivisio， 韩国的Samsung以及Fi本的Sony。在元件供应方面，从事HMD像源器件生产的厂家约有 25家，包括以Microdisplay与Kopin为代表的反射式与透射式LCOS，及以eMagin与 MicroEmissive为代表的OLED器件供应商等。
从产品上来分析，目前，市场上所售的各种HMD及其器件多达数十种，涵盖了上述单 目(DataGlass2/A， SfflMADZU)、双目(Z800， eMagin)、视透式(LE500， Liteye)、非视 透式(LE450 Liteye， Liteye)、头盔式(Pro View S035， KEO)、头带式(VRscope HMD, Trivisio)、 眼镜式(SV6， MicroOptical)等各类形式。
目前各类HMD产品尚且存在以下技术问题
1) 一般仅具备2D显示功能，人机交互功能单一Z800等少量产品具备耳麦、头动跟踪、 3D显示功能，但不具备眼动跟踪交互功能；
2) 多功能产品皆需要外置控制盒，穿戴使用不便:如SV6等基于LCOS像源技术的HMD 需要将场序彩色化电路置于外置控制盒内。Z800等功能较多的OLED产品将3D显 示驱动控制、头动跟踪控制等电路功能作在外置控制盒内，LE450等OLED型HMD 产品虽直接将驱动电路作在HMD头戴部分内部，但在其微型驱动电路板上不能实现 太多的功能，故而无法实现多交互功能和多调节功能。目前尚未见有将多功能HMD 驱动控制电路集成在计算机主板上，以免去外置控制盒的产品、文献、专利；
3) 需要信号或电源线缆，穿戴使用不便如Z800有VGA信号线、USB电源线、控制 盒到头戴部分的线缆；
4) 调节功能与调节方式单一，适用性不强在调节功能上， 一般OLED类HMD产品仅 具备亮度调节功能。部分LCoS类HMD产品具备亮度、对比度、图像大小、翻转调 节功能，如SV6。 Z800具有图像亮度、3D显示设置、头动跟踪设置等丰富功能。在 调节方式上，除Z800可在计算机操作系统的应用软件里进行部分功能的调节与设置夕卜，大多数HMD都需要在外置控制盒或头戴结构上，以按钮的方式进行调节。但无 论是上述哪种调节方式，都需人为调节，目前尚未见HMD可对环境光强做出反馈， 进行亮度自动调节的产品、文献、专利。
从专利上来分析，大多数HMD相关专利集中在HMD构成形式、光学子系统结构方面， 200510025818.X关于一种HMD上附加IC卡和无线标签的读写器装置，与本发明所述的无线 接口部分并无关联。200710021400.0关于一种对HMD在虚拟现实应用中进行头动跟踪视觉补 偿的方法，与本发明中所述的头动跟踪功能并不冲突。200680036210.X题为一种再现装置、. 头盔显示设备和实现再现装賈的程序，关于一种HMD与多媒体信号源(DVD)的连接方法、 控制按钮的操控办法、视频音频信号的呈现方法，与本发明并无冲突。

发明内容
本发明提出一种头戴显示器，该头戴显示器采用自由曲面棱镜光学系统，OLED像源系 统。该头戴显示器的多功能驱动控制电路分布于(可穿戴)计算机主板与HMD头戴部分， 采用无线或仅用一根信号线将其连接，无外置控制盒。该头戴显示器的多功能驱动控制电路 可实现头戴显示驱动、亮度自动调节、计算机操作系统控制的显示特性调节、头动/眼动跟踪、 音频输入输出等功能。该头戴显示器具有连线少、体积小、功能多、可调节性强的特点，有 利于进一歩增强HMD的实用性和"可穿戴性"。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是 一种头戴显示器，采用自由曲面光学 系统和OLED像源系统，该头戴显示器的驱动、控制、接口结构分布于计算机主板部分与HMD 头戴部分，两部分通过有线或无线接口连接。其中，位于计算机主板部分的结构包括HMD 驱动控制器、晶振或时钟芯片、RAM、 A/D转换模块、OLED电源模块、控制开关、主板接 口，位于HMD头戴部分的结构包括接口与信号处理模块、OLED微型显示器件(简称OLED 微显器件、OLED器件)、环境亮度传感器、接口电源模块，外置或集成在头戴部分的电池模 块构成，其相互连接关系为所述HMD驱动控制器分别与图像信号输入源、晶振或时钟芯 片、RAM、 A/D、 OLED电源模块、显示控制开关、主板接口、系统电源模块、系统 GPI0/SMBUS/I2C总线、系统USB/LPC/SPI总线相连，主板接口与OLED电源模块、系统 USB总线、系统音频线相连，主板接口与HMD头戴部分的接口与信号处理模块通过有线或 无线方式相连，HMD头戴部分的接口与信号处理模块分别与OLED微型显示器件、环境亮 度传感器、加速度计/陀螺仪、眼动摄像头、接口电源模块相连，电池模块与HMD头戴部分 相连。
所述图像信号输入源为自带图形核心的系统北桥芯片(如％5G)、或带图形核心的系统 南北桥集成芯片(如Poulsbo、 VX800)、或集成了 CPU与北桥与南桥的系统级SOC芯片(如 Camnore)、或图形显示核心(如NVIDIA 8400GS)、或图像信号转接芯片(如CH7021A)， 引出的图像信号为符合VESA规范的VGA制式信号，图像信号输出至位于头戴部分的单个 或两个相同的OLED微显器件。
所述HMD驱动控制器采用FPGA、 CPLD、 MCU、 DSP类型的器件实现；由系统电源模 块供电，由系统时钟芯片或专用晶振提供时钟信号。
所述HMD驱动控制器包括控制命令输入模块、立体显示控制模块、OLED寄存器配置 模块、Flash/EEPROM模块、RAM读写控制模块、头动数据处理模块、眼动数据处理模块、 图像亮度控制模块、图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置控制模块，其内部相 互连接关系为所述控制命令输入模块分别与所述立体显示控制模块、OLED寄存器配置模 块、图像亮度控制模块、图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置控制模块相连， 所述OLED寄存器配置模块与所述Flash/EEPROM模块相连，所述RAM读写控制模块分别 与所述头动数据处理模块、眼动数据处理模块相连；所述HMD驱动控制器与外部的连接关 系为所述控制命令输入模块与输入的开关按键相连，通过GPI0/SMBUS/I2C控制信号与所 述IO芯片或者南桥控制器相连，所述RAM读写控制模块、头动数据处理模块、眼动数据处理模块分别与RAM相连，所述头动数据处理模块、眼动数据处理模块、图像亮度控制模块、 立体显示控制模块通过主板有线或无线接口与HMD头戴部分连接，所述图像翻转控制模块、 图像尺寸控制模块、图像位置控制模块通过主板有线或无线接口与HMD头戴部分连接。
所述立体显示控制模块输出EN或RST信号，使能或重置OLED微型显示器件，当像源 信号为时序立体显示视频格式并且所述HMD头戴部分为双OLED微显器件时，所述立体显 示控制模块控制RST1、 EN1、 RST2、 EN2的使能，来轮流保持0LED1或OLED2微显器件 显示的当前帧，以实现立体视觉。
所述头动数据处理模块从所述HMD头戴部分的加速度计和陀螺仪接受X、 Y、 Z数据并 进行3D坐标解算，通过USB、 LPC或SPI总线供给系统，所述头动数据处理模块功能也可 以在HMD头戴部分的信号处理电路中实现。
所述眼动数据处理模块从所述HMD头戴部分的眼动摄像头接受X、 Y数据，对巩膜虹 膜异组织边缘(limbus)/虹膜瞳孔边缘/双普尔辛图(Purkinje Image)进行红外摄像检测的2D眼 动数据坐标解算，所述眼动数据处理模块功能也可以在HMD头戴部分的信号处理电路中实现。
所述图像亮度控制模块接至控制命令输入模块，由所述控制命令输入模块进行指令控制， 或接至HMD头戴部分的环境亮度传感器，由所述环境亮度传感器的输出信号进行控制。
所述图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置控制模块分别与控制命令输入模 块和VS、 HS信号相连，以EN、 RST针对HS、 VS脉冲数的关系进行调制，调制算法针对 HS、 VS脉冲数与OLED器件的EN、 RST关系进行，具体算法由用户自定义，可不相同。
所述控制命令输入模块对亮度、翻转、尺寸、位置控制开关的按键进行解释及转发，对 接至系统南桥(或IO芯片、或南北桥集成芯片、或系统级SOC)的GPIO、 SMBUS、 I2C所 引出信号进行解释及转发。
所述晶振或时钟芯片可以是HMD专用的晶振或时钟芯片，也可以与主板上的晶振或时 钟芯片复用，为HMD驱动控制器提供时钟信号；在OLED微显器件使用外部时钟同歩时， 所述晶振或时钟芯片引出时钟信号到所述HMD头戴部分。
所述的RAM由所述RAM读写控制模块控制，为所述HMD驱动控制器提供HS、 VS信 号调制、眼动头动坐标解算所需的程序与数据空间；所述RAM模块可采用外置RAM芯片， 或采用HMD驱动控制器的内部逻辑资源实现。
所述的A/D将RGB数据进行模数转换，以进行像源驱动，可使用HMD驱动控制器的内 置A/D实现，或采用外挂A/D芯片实现，在使用数字类OLED微型显示器件时使用A/D功 能，采用模拟类OLED微型显示器时不使用所述A/D功能。
所述OLED电源模块可采用两种方式实现， 一是位于主板上，由主板系统电源作为电源 输入，经线性电源器件或分压器件转换后，以一组线缆引至HMD头戴部分，二是位于HMD 头戴部分，由主板上引出的电源、或USB接口电源、或电池电源作为输入，再由线性电源器 件或分压器件转换生成不同电压。所述OLED电源模块可由AD5280、 MAX868、 LM2611、 AD5243、 MIC5205、 MAX1680、 MAX1681等线性电源器件(LDO)实现。所述OLED电源 模块负责生成OLED微显器件所需的3.0 3.6V、 3.8~4.2V、 -4.0~-2.5V、 1.6~2.2V、 1.8 2.4V、 3.4 3.8V电源。
所述显示控制开关是所述HMD驱动控制器的输入，位于主板上，用于HMD的手动调 节，采用机械、光电开关实现，可选择实现。
所述主板接口用于将主板上处理的HMD信号接至头戴部分；根据需要，主板接口可由 有钱或无线方式实现；采用有线实现方式时，所述接口与OLED电源模块(当HMD电源模 块在主板上时)、SCL、 SDA、 HS、 VS、 RED、 GREEN、 BLUE、 EN、 RST、显示几何控制、 显示亮度控制、环境亮度信号、头动数据、眼动数据、时钟信号、Audio、及为摄像头等头戴附件预留的USB接口信号连接；采用有线实现方式时，可选用标准视频连接器、背板连接器、 FPC连接器、航空连接器、用户自定义连接器进行连接。采用无线实现方式时，接口模块由 缓存器、编码模块、UWB (Ultra Wideband,超宽带)模块构成；所述缓存器缓存上述各种 接口信号，并作为编码模块的缓存和计算空间，可由编码模块的内部资源实现，或由独立RAM 芯片实现；所述编码模块可由FPGA、 CPLD、 MCU、 DSP器件实现，用于将所述缓存器中 的数据按照UWB的数据帧进行内容编码，及向所述UWB模块的数据输出，编码算法由用 户自定义，编码格式不限；所述UWB模块可采用商品化UWB芯片实现，也可采用用户用 编码模块调制射频芯片实现。
所述接口与信号处理模块位于HMD头戴部分，内含接口模块与信号处理模块，所述接 口模块有有线和无线两种实现方式。采用有线接口形式时，与有线式主板接口相对应；采用 无线接口形式时，与无线式主板接口相对应，由UWB模块、解码模块、缓存器构成。所述 解码模块将发送端的数据进行还原，发送至缓存器，以FIFO形式输出至OLED器件，缓存 器自带输入输出控制逻辑。所述信号处理模块为选接模块，可替换主板上HMD驱动控制器 中的头动数据处理模块和眼动数据处理模块，实现头动/眼动附加信息处理，处理内容与所述 头动数据处理模块和眼动数据处理模块相同。
所述OLED微显器件为图像显示单元，实现信号的电光转换，可由一个OLED器件实现 单目HMD，也可由两个OLED器件实现双目HMD;所述OLED微显器件可采用模拟式(输 入模拟信源信号)，也可采用数字式(输入数字信源信号)，典型有效分辨率为852X600。
所述环境亮度传感器为光敏传感器件，工作在可见光波段，输入为环境光，输出为反映 环境光强的数字量或模拟量，输出至主板的HMD驱动控制器部分，作为图像亮度控制模块 的输入量，是选接模块。
所述眼动摄像头工作在红外波段，摄像对象是人眼的巩膜虹膜异组织边缘(limbus)、或虹 膜瞳孔边缘、或双普尔辛图(Purkinje Image),输出至信号处理模块或通过USB输出至主板的 HMD驱动控制器进行眼动坐标解算。
所述接口电源模块从主板接口或电池模块中获取电压并进行转换，将转换后的电压供接 口电路和信号处理模块使用，当OLED电源模块在头戴部分实现时，也可将所述接口电源模 块和所述OLED电源模块整合在一起。所述电池模块在主板接口采用无线方式时使用，为 OLED器件及所述接口与信号处理模块供电，是选接模块。
木发明相对已有产品和其它头戴显示器专利的优点是
功能多具备亮度自动调节、3D显示、操作系统控制的显示特性调节、头动/眼动跟踪、 音频输入输出多种功能；
连线少采用UWB无线信号传输方式，传输效果较采用蓝牙方式的头戴显示器好。亦 可采用单根集成信号线传输，较一般HMD连线少；
体积小将主要的驱动控制电路集成在计算机主板上，免去外置控制盒，减小了系统体
积； '
可调节性强该HMD可采用一般HMD的按钮调节方式，并可采用计算机操作系统上 的应用软件调节，和亮度自动调节等方式。


图1是本发明的系统整体结构示意图。 图2是本发明的系统硬件结构连接图。 图3是本发明的HMD驱动控制器模块结构图。 图4是本发明的HMD头戴部分模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种头戴显示器的驱动、控制、接口结构作进一步的描述。
图1是本发明的系统整体结构示意图。如图1所示，本发明包括HMD的自由曲面光学 系统、支撑结构和主板上的HMD驱动控制器、晶振或时钟芯片、RAM、 A/D、 OLED电源 模块(0LED1和OLED2)、显示控制开关、主板接口，以及集成在头戴部分的接口与信号处 理模块、OLED微型显示器件、环境亮度传感器、OLED电源模块、接口电源模块，外置或 集成在头戴部分的电池模块、加速度计/陀螺仪、眼动摄像头，其相互连接关系为所述HMD 驱动控制器分别与图像信号输入源、晶振或时钟芯片、RAM、 A/D、 OLED电源模块、显示 控制丌关、主板接口、系统电源模块相连，所述HMD驱动控制器通过系统GPIO/SMBUS/I2C 总线、系统USB/LPC/SPI总线与南桥控制器及IO芯片相连，所述主板接口与OLED电源模 块、系统USB总线、系统音频总线Audio相连，主板接口与HMD头戴部分的接口与信号处 理模块通过有线或无线方式相连，所述HMD头戴部分的接口与信号处理模块分别与OLED 微型显示器件、环境亮度传感器、加速度计/陀螺仪、眼动摄像头、接口电源模块相连，电池 模块与HMD头戴部分相连。
图2是本发明的系统硬件结构连接图。如图2所示，图像信号输入源为自带图形核心的 系统北桥芯片或带图形核心的系统南北桥集成芯片或集成了 CPU与北桥与南桥的系统级 SOC芯片或图形显示核心或图像信号转接芯片，引出的图像信号为SCL、 SDA、' HS、 VS、 RED、 GREEN、 BLUE， RED、 GREEN、 BLUE信号通过A/D芯片进行转换后与SCL、 SDA、 HS、 VS信号一起通过主板接口输出至位于HMD头戴部分的单个OLED微型显示器件 (OLED1)或两个相同的OLED微型显示器件(OLED1禾口 OLED2)。图形显示核心可以采 用外挂的图形显示核心芯片，并通过PCIE总线与系统北桥芯片连接。南桥控制器通过 LPC/PCI/SPI总线与10芯片相连接。
主板上的所述OLED电源模块由主板系统电源作为电源输入，经线性电源器件或分压器 件转换后，生成OLED微显器件所需的3.0~3.6V、 3.8 4.2V、 -4.0 -2.5V、 1.6~2.2V、 1.8 2.4V、 3.4~3.8V电源，这些电源以一组线缆引至HMD头戴部分供HMD头戴部分使用。
所述主板接口用于将主板上处理的HMD信号接至HMD头戴部分，由有线或无线方^ 实现，负喷传输的信号有SCL、 SDA、 HS、 VS、 RED、 GREEN、 BLUE、 EN、 RST、显示 几何控制、显示亮度控制、环境亮度信号、头动数据、眼动数据、时钟信号、Audio、 USB 接口信号。采用有线实现方式的接口， SCL、 SDA、 HS、 VS、 RED、 GREEN、 BLUE信号传 送到有线接口，所述HMD驱动控制器的立体显示控制模输出的EN1、 RST1、 EN2、 RST2 信号、显示几何控制和显示亮度控制信号从所述HMD驱动控制器传送到有线接口，头动数 据(X、 Y、 Z)和眼动数据(X、 Y)从有线接口连接到HMD驱动控制器，晶振或时钟芯片 产生的时钟信号VCLK连接到有线接口，为有线接口提供时钟信号；南北桥集成芯片引出的 信号Audio连接至有线接口，通过有线接口将Audio信号传送到HMD头戴部分；有线接口 通过USB总线与南桥控制器连接。采用无线接口方式实现时，接口模块由缓存器、编码模块、 UWB (Ultra Wideband,超宽带)模块构成，所述缓存器与接口信号相连，由编码模块的内 部资源或由独立RAM芯片实现；所述编码模块与所述缓存器相连，对所述缓存器中的数据 按照UWB帧格式进行内容编码，所述编码模块可由FPGA、 CPLD、 MCU、 DSP器件实现； 所述UWB模块可釆用商品化UWB芯片实现，也可采用用户用编码模块调制射频芯片实现。 所述主板接口由所述OLED电源模块或系统电源模块进行供电，由晶振或时钟芯片提供时钟 信号。
所述显示控制开关是HMD驱动控制器的输入，用于HMD的手动调节，采用机械或者
光电开关实现。
图3是本发明的HMD驱动控制器模块结构图。由图2和图3所示，主板上的所述HMD 驱动控制器包括控制命令输入模块、立体显示控制模块、OLED寄存器配置模块、 Flash/EEPROM模块、RAM读写控制模块、头动数据处理模块、眼动数据处理模块、图像亮度控制模块、图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置控制模块，其内部相互连接 关系为所述控制命令输入模块分别与所述立体显示控制模块、OLED寄存器配置模块、图 像亮度控制模块、图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置控制模块相连，所述OLED 寄存器配置模块与所述Flash/EEPROM模块相连，所述RAM读写控制模块分别与所述头动 数据处理模块、眼动数据处理模块相连。所述HMD驱动控制器与外部的连接关系为所述-控制命令输入模块与输入的开关按键相连，通过GPIO/SMBUS/I2C控制信号与所述10芯片 或者南桥控制器相连，所述RAM读写控制模块、头动数据处理模块、眼动数据处理模块分 别与RAM相连，所述头动数据处理模块、眼动数据处理模块、图像亮度控制模块、立体显 示控制模块通过主板有线或无线接口与HMD头戴部分连接，所述图像翻转控制模块、图像 尺寸控制模块、图像位置控制模块通过主板有线或无线接口与HMD头戴部分连接。
所述立体显示控制模块输出EN1、 RST1 、 EN2、 RST2信号，并通过主板接口传送到 HMD头戴部分，使能或重置OLED微型显示器件；当像源信号为时序立体显示视频格式并 且所述HMD头戴部分为双0LED微显器件时，所述立体显示控制模块控制RST1、EN1、RST2、 EN2的使能，来轮流保持OLEDl或OLED2微显器件显示的当前帧，实现立体视觉。所述头 动数据处理模块从所述HMD头戴部分的加速度计/陀螺仪接受X、 Y、 Z数据并进行3D坐标 解算，通过USB、 LPC或SPI总线供给系统。所述眼动数据处理模块从所述HMD头戴部分 的眼动摄像头接受X、 Y数据，对巩膜虹膜异组织边缘(limbusj/虹膜瞳孔边缘/双普尔辛图 (Puridrye Image)进行红外摄像检测的2D眼动数据坐标解算。所述图像亮度控制模块与控制命 令输入模块连接，由所述控制命令输入模块进行指令控制，或与HMD头戴部分的环境亮度 传感器连接，由所述环境亮度传感器的输出信号进行控制。所述图像翻转控制模块、图像尺 寸控制模块、图像位置控制模块分别与控制命令输入模块和VS、 HS信号相连，以EN、 RST 针对HS、 VS脉冲数的关系进行调制，调制算法针对HS、 VS脉冲数与OLED器件的EN、 RST关系进行。所述控制命令输入模块对亮度、翻转、尺寸、位置控制开关的按键进行解释 及转发，对接至系统南桥(或10芯片、或南北桥集成芯片、或系统级SOC)的GPIO、 SMBUS、 KC所引出信号进行解释和转发。
所述HMD驱动控制器釆用FPGA、 CPLD、 MCU、 DSP类型的器件实现；由系统电源模 块供电，由系统时钟芯片或专用晶振提供时钟信号。
图4是本发明的HMD头戴部分模块结构图。如图2和图4所示，所述HMD头戴部分包括 接口与信号处理模块和OLED微型显示器件(OLED1禾口 OLED2)、 OLED电源模块、接口 电源模块以及外置在头戴部分的电池模块、加速度计/陀螺仪、眼动摄像头。其中所述接口与 信号处理模块内含接口模块与信号处理模块，所述接口模块有有线和无线两种实现方式，有 线接口形式与有线式主板接口相对应，并选用标准视频连接器、背板连接器、FPC连接器、 航空连接器、用户自定义连接器与主板接口进行连接。采用无线接口形式时，与无线式主板 接口相对应，由UWB模块、解码模块、缓存器构成，所述解码模块将发送端的数据进行还 原，并发送至缓存器，然后以FIFO的形式输出至OLED器件(0LED1和OLED2)，所述缓 存器自带输入输出控制逻辑。所述信号处理模块为选接模块，以替换主板上HMD驱动控制 器中的头动数据处理模块和眼动数据处理模块，实现头动/眼动附加信息处理，处理内容与所 述头动数据处理模块和眼动数据处理模块相同。位于HMD头戴部分的OLED电源模块由主 板上引出的电源、或USB接口电源、或电池电源作为输入，再由线性电源器件或分压器件转 换生成不同电压，给0LED1和OLED2供电。所述加速度计/陀螺仪获取X、 Y、 Z数据给信 号处理模块或HMD驱动控制器的头动数据处理模块进行3D坐标解算；眼动摄像头获取X、 Y数据输出至信号处理模块或通过USB输出至主板的HMD驱动控制器进行眼动坐标解算。 所述接口电源模块由主板有线接口或电池模块中取电，转换后供接口电路和信号处理模块使 用；主板接口采用无线方式时启用电池模块，通过接口电源模块为OLED器件及所述接口与 信号处理模块供电。
权利要求
1. 一种头戴显示器，其特征是所述头戴显示器采用自由曲面棱镜光学系统和OLED像源系统，OLED像源系统的驱动、控制、接口结构包括分布于计算机主板部分与HMD头戴部分，两部分通过有线或无线接口连接，其中，位于计算机主板部分的结构包括HMD驱动控制器、晶振或时钟芯片、RAM、A/D、OLED电源模块、显示控制开关、主板接口，位于HMD头戴部分的结构包括接口与信号处理模块、OLED微型显示器件(简称OLED微显器件、OLED器件)、环境亮度传感器、OLED电源模块、接口电源模块，外置或集成在头戴部分的电池模块、加速度计/陀螺仪、眼动摄像头构成，其相互连接关系为所述HMD驱动控制器分别与图像信号输入源、晶振或时钟芯片、RAM、A/D、OLED电源模块、显示控制开关、主板接口、系统电源模块、系统GPIO/SMBUS/I2C总线、系统USB/LPC/SPI总线相连，所述主板接口与OLED电源模块、系统USB总线、系统音频总相连，主板接口与HMD头戴部分的接口与信号处理模块通过有线或无线方式相连，所述HMD头戴部分的接口与信号处理模块分别与OLED微型显示器件、环境亮度传感器、加速度计/陀螺仪、眼动摄像头、接口电源模块相连，电池模块与HMD头戴部分相连。
2. 根据权利要求1所述的头戴显示器，其特征是所述HMD驱动控制器采用FPGA、CPLD、 MCU、 DSP类型的器件实现，由系统电源模块供电，由系统时钟芯片或专用晶振提供时 钟信号，HMD驱动控制器包括控制命令输入模块、立体显示控制模块、OLED寄存器配 置模块、Flash/EEPROM模块、RAM读写控制模块、头动数据处理模块、眼动数据处理 模块、图像亮度控制模块、图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置控制模块， 其内部相互连接关系为所述控制命令输入模块分别与所述立体显示控制模块、OLED 寄存器配置模块、图像亮度控制模块、图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位 置控制模块相连，所述OLED寄存器配置模块与所述Flash/EEPROM模块相连，所述RAM 读写控制模块分别与所述头动数据处理模块、眼动数据处理模块相连，HMD驱动控制器 与外部的连接关系为所述控制命令输入模块与输入的丌关按键相连，通过 GPIO/SMBUS/I2C控制信号与所述10芯片或者南桥控制器相连，所述RAM读写控制模 块、头动数据处理模块、眼动数据处理模块分别与RAM相连，所述头动数据处理模块、 眼动数据处理模块、图像亮度控制模块、立体显示控制模块通过主板有线或无线接口与 HMD头戴部分连接，所述图像翻转控制模块、图像尺寸控制模块、图像位置'控制模块通 过主板有线或无线接口与HMD头戴部分连接。
3. 根据权利要求2所述的头戴显示器，其特征是所述立体显示控制模块输出EN或RST 信号，使能或重置OLED微型显示器件，当像源信号为时序立体显示视频格式并且所述 HMD头戴部分为双OLED微显器件时，所述立体显示控制模块控制RST1、 EN1 、 RST2、 EN2的使能，来轮流保持0LED1或OLED2器件显示的当前帧，以实现立体视觉。
4. 根据权利要求2所述的头戴显示器，其特征是所述头动数据处理模块从所述HMD头戴 部分的加速度计/陀螺仪接受数据并进行3D坐标解算，通过USB、 LPC或者SPI总线供 给系统，所述头动数据处理模块功能也可以在HMD头戴部分的信号处理电路中实现。
5. 根据权利要求2所述的头戴显示器，其特征是所述眼动数据处理模块从所述HMD头戴 部分的眼动摄像头接受数据，对巩膜虹膜异组织边缘(limbus)/虹膜瞳孔边缘/双普尔辛图 (Purkinje Image)进行红外摄像检测的2D眼动数据坐标解算，所述眼动数据处理模块功能 也可以在HMD头戴部分的信号处理电路中实现，眼动摄像头工作在红外波段，摄像对象 是人眼的巩膜虹膜异组织边缘(limbus)、或虹膜瞳孔边缘、或双普尔辛图(Purkinje Image), 输出至信号处理模块或通过USB输出至主板的HMD驱动控制器进行眼动坐标解算。
6. 根据权利要求2所述的头戴显示器，其特征是所述图像亮度控制模块接至控制命令输 入模块，由所述控制命令输入模块进行指令控制，或接至HMD头戴部分的环境亮度传感 器，由所述环境亮度传感器的输出信号进行控制，环境亮度传感器为光敏传感器件，工 作在可见光波段，输入为环境光，输出为反映环境光强的数字量或模拟量，输出至所述HMD驱动控制器部分，作为图像亮度控制模块的输入量。
7. 根据权利要求2所述的头戴显示器，其特征是所述图像翻转控制模块、图像尺寸控制 模块、图像位置控制模块分别与控制命令输入模块和VS、 HS信号相连，以EN、 RST针 对HS、 VS脉冲数的关系进行调制，所述晶振或时钟芯片可以是HMD专用的品振或时钟 芯片，也可以与主板上的晶振或时钟芯片复用，为HMD驱动控制器提供时钟信号，在 OLED微显器件使用外部时钟同歩时，所述晶振或时钟芯片引出时钟信号到所述HMD头 戴部分，上述图像翻转、尺寸、位置控制开关置于主板上，采用机械、光电开关实现。
8. 根据权利要求1所述的头戴显示器，其特征是所述OLED电源模块可采用两种方式实 现， 一是位于主板上，由主板系统电源作为电源输入，经线性电源器件或分压器件转换 后，以一组线缆引至HMD头戴部分，二是位于HMD头戴部分，由主板上引出的电源、 或USB接口电源、或电池电源作为输入，再由线性电源器件或分压器件转换生成不同电 压，OLED电源模块生成OLED微显器件所需的3.0—3.6V、3.8 4.2V、-4.0—2.5V、:l.6 2.2V、 1.8 '2.4V、 3.4~3.8V电源。
9. 根据权利要求1所述的头戴显示器，其特征是所述主板接口可采用有线和无线两种实 现方式，采用有线实现方式时，所述接口与OLED电源模块、SCL、 SDA、 HS、 VS、 RED、 GREEN、 BLUE、 EN、 RST、显示几何控制、显示亮度控制、环境亮度信号、头动数据、 眼动数据、时钟信号、Audio、 USB接口信号连接，采用有线实现方式时，可选用标准视 频连接器、背板连接器、FPC连接器、航空连接器、用户自定义连接器进行连接，采用 无线实现方式时，无线接口由缓存器、编码模块、UWB (Ultra Wideband,超宽带)模块 构成。所述缓存器与所述接口信号相连，由编码模块的内部资源或由独立RAM芯片实现 所述编码模块与所述缓存器相连,对所述缓存器中的数据按照UWB帧格式进行内容编 石3，可由FPGA、 CPLD、 MCU、 DSP器件实现，所述UWB模块可采用商品化UWB芯 片实现，也可采用用户用编码模块调制射频芯片实现。
10. 根据权利要求1所述的头戴显示器，其特征是所述接口与信号处理模块位于HMD头戴 部分，内含接口模块与信号处理模块，所述接口模块有有线和无线两种实现方式，接口 与信号处理模块在采用有线接口形式时，信号连接格式与主板有线接口相对应，接口与 信号处理模块在采用无线接口形式时，由UWB模块、解码模块、缓存器构成，其中所述 解码模块将发送端的数据进行还原，发送至缓存器，以FIFO形式输出至OLED器件，缓 存器自带输入输出控制逻辑。
全文摘要
本发明提出一种头戴显示器，该头戴显示器采用自由曲面光学系统和OLED像源系统，其驱动、控制、接口结构分布于计算机主板部分与HMD头戴部分，两部分通过有线或无线接口连接。其中，位于计算机主板部分的结构包括HMD驱动控制器、晶振或时钟芯片、RAM、A/D转换模块、OLED电源模块、控制开关、主板接口，位于HMD头戴部分的结构包括接口与信号处理模块、OLED微型显示器件、环境亮度传感器、接口电源模块，外置或集成在头戴部分的电池模块构成。克服了市场上各种HMD可调节性差、人机交互功能单一等不足，实现了连线少、体积小、多功能的HMD。
文档编号G02B27/01GK101419339SQ200810147648
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月24日 优先权日2008年11月24日
发明者宋海涛, 曾爱凤, 陈东义 申请人:电子科技大学