一种头戴显示器制造技术

本发明专利技术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。

Head mounted display

The invention provides a head mounted display, the head mounted display with a free-form surface optical system and OLED system as its source, drive, control, interface structure distribution on computer motherboard and HMD wearing parts, the two parts are connected by a wired or wireless interface. The structure in the computer motherboard part including HMD driver controller, crystal oscillator or clock chip, RAM, A / D conversion module, OLED module, power control switch, motherboard interface, in the structure of HMD wearing part comprises a signal processing module, OLED interface and micro display interface of the power device, ambient light sensor, an external module. Or integrated in the battery module wearing part. Overcome a variety of HMD on the market can be poor adjustment, human-computer interaction, such as single function, to achieve a small number of connections, small size, multi-function HMD.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子信息领域，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。
技术介绍
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，与本专利技术所述的无线 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，与本专利技术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，与本专利技术并无冲突。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东义，宋海涛，曾爱凤，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]