專利名稱：頭戴式顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及戴在用戶的頭部以提供虛擬圖像的頭戴式顯示器，更具體地，涉及提供讓用戶體驗與電影院的最佳座位中相同的真實性的虛擬圖像的頭戴式顯示器。
背景技術(shù)：
通過將具有視差的圖像顯示在觀看者的左右眼上，可以為觀看者提供能夠立體觀看的3D圖像。已經(jīng)期望將3D圖像技術(shù)應(yīng)用于諸如電視廣播、電影、遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程醫(yī)療之類的各種領(lǐng)域。例如，具有顯示器件和3D眼鏡的組合的時分立體圖像顯示系統(tǒng)已經(jīng)很普遍 (例如，參見日本待審專利申請公開No. 2010-21731)。該顯示器件以特別短的周期在屏幕上交替顯示具有視差的左眼圖像和右眼圖像。該3D眼鏡具有例如作為液晶透鏡并且分別針對左眼部分和右眼部分提供的快門機構(gòu)。用戶戴在其頭部以觀看視頻圖像的顯示器件(S卩，頭戴式顯示器(HMD， head-mounted display))已經(jīng)分布廣泛。頭戴式顯示器包括用于左右眼中每一個的顯示器件，并且與頭戴式耳機一起使用以便可以控制視覺和聽覺的感知。如果將頭戴式顯示器配置為當(dāng)其戴在頭上時完全阻擋外部環(huán)境，則觀看時虛擬現(xiàn)實的感覺增加。頭戴式顯示器可以將不同的視頻圖像投射到左右眼。如果在左右眼上顯示具有視差的圖像，則可以以與上面相同的方式提供3D圖像。頭戴式顯示器是向用戶提供虛擬圖像的顯示系統(tǒng)(即，將虛擬圖像聚焦在視網(wǎng)膜上)。當(dāng)物體出現(xiàn)在相比于焦點更加靠近透鏡的位置時，虛擬圖像出現(xiàn)在物側(cè)。當(dāng)用戶看虛擬圖像時，例如最好依據(jù)視頻圖像改變用戶與形成虛擬圖像的點之間的距離。例如，提出了提供適于視頻圖像的虛擬圖像的顯示器件(例如參見日本待審專利申請公開No. 2007-133415)。這種顯示器件具有放大光學(xué)系統(tǒng)，其將用戶的左右眼觀看到的同一虛擬圖像置于單個平面上，并且依據(jù)視頻圖像的寬高比控制用戶和虛擬圖像之間的距離以及虛擬圖像的放大率。例如，對于基于高清廣播的具有16 9的寬高比的電影或戲劇的視頻圖像，將距離用戶大約15米遠(yuǎn)的遠(yuǎn)方位置上的大虛擬圖像聚焦在視網(wǎng)膜上。對于基于NTSC(National Television System Committee)系統(tǒng)的具有4 3的寬高比的包括電視信號的視頻圖像，將距離用戶大約3米的相對近位置上的中虛擬圖像聚焦在視網(wǎng)膜上， 以便讓用戶體驗真實感并降低觀看虛擬圖像期間的疲勞。如果將諸如有機電致發(fā)光(EL)之類的具有高分辨率的器件用作頭戴式顯示器的左右眼的顯示單元，則通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置充足的視場角，并且通過耳機再現(xiàn)多聲道，然后可以再現(xiàn)與電影院的最佳座位中相同的真實感。發(fā)明人將要開發(fā)提供與電影院的最佳座位中相同的視聽環(huán)境的頭戴式顯示器。在現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品中，將距離大約若干米遠(yuǎn)的約60英寸虛擬圖像聚焦在視網(wǎng)膜上，并且視角略微在40度以下。當(dāng)按照電影院來考慮這種情形時，距離屏幕若干米遠(yuǎn)的座位不是好的座位，并且此視角對于電影欣賞而言不夠大。另一方面，如果此視角太大，則用戶在閱讀顯示在屏幕端部附近的字幕時應(yīng)當(dāng)移動面部，從而此情形并不適合于電影欣賞。

發(fā)明內(nèi)容
期望提供出眾的頭戴式顯示器，其戴在用戶的頭部以給出優(yōu)選的虛擬圖像。還期望提供出眾的頭戴式顯示器，其提供讓用戶體驗與電影院的最佳座位中相同的真實感的虛擬圖像。根據(jù)本公開的第一實施例，提供了一種頭戴式顯示器，包含左眼顯示面板，其顯示左眼圖像；左眼光學(xué)系統(tǒng)，其具有從45到55度的視角，并且形成左眼圖像的虛擬圖像； 右眼顯示面板，其顯示右眼圖像；右眼光學(xué)系統(tǒng)，其具有從45到55度的視角，并且形成右眼圖像的虛擬圖像；以及顯示控制單元，其控制左眼顯示面板和右眼顯示面板的屏幕顯示。根據(jù)本公開的第二實施例，第一實施例的頭戴式顯示器的左眼光學(xué)系統(tǒng)形成距離左眼10米或以上的左眼圖像的大約750英寸的放大虛擬圖像；并且右眼光學(xué)系統(tǒng)形成距離右眼10米或以上的右眼圖像的大約750英寸的放大虛擬圖像。根據(jù)本公開的第三實施例，第一實施例的頭戴式顯示器的左眼光學(xué)系統(tǒng)和右眼光學(xué)系統(tǒng)中的每一個在相對于對應(yīng)眼球的偏移的范圍中均具有實質(zhì)上均勻的分辨能力。根據(jù)本公開的第四實施例，第一實施例的頭戴式顯示器的左眼顯示面板布置在從左眼球的位置偏移預(yù)定的會聚水平偏移量的地點；并且右眼顯示面板布置在從右眼球的位置偏移預(yù)定的會聚水平偏移量的地點。根據(jù)本公開的第五實施例，在第四實施例的頭戴式顯示器中，基于最大瞳孔間距離以及左眼顯示面板和右眼顯示面板的尺寸與虛擬圖像聚焦到的表面的尺寸之比，設(shè)定所述會聚水平偏移量。根據(jù)本公開的第六實施例，在第五實施例的頭戴式顯示器中，在偏移了所述預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置左眼顯示面板，并且在偏移了所述預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置右眼顯示面板，其中位置精度為若干微米或更少。根據(jù)本公開的實施例，可以提供再現(xiàn)讓用戶體驗與電影院的最佳座位中相同的真實感的虛擬圖像的出眾的頭戴式顯示器。根據(jù)本公開的第一或第二實施例，頭戴式顯示器可以聚焦距離用戶眼睛20米的大約750英寸的放大虛擬圖像，并且提供讓用戶體驗與電影院的最佳座位中相同的真實感的立體視頻圖像。根據(jù)本公開的第三實施例，即使如果由于用戶改變要觀看的虛擬圖像的點而使眼球轉(zhuǎn)動并使瞳孔的位置偏移光學(xué)系統(tǒng)，頭戴式顯示器也可以提供具有特定分辨能力的虛擬圖像。根據(jù)本公開的第四實施例，當(dāng)觀看頭戴式顯示器上的視頻圖像的用戶的兩眼依據(jù)視角而移動得彼此更接近時，左眼和右眼顯示面板偏移了預(yù)定的會聚水平偏移量以得到最佳的視差。根據(jù)本公開的第五實施例，可以基于最大瞳孔間距離以及左眼顯示面板和右眼顯示面板的尺寸與虛擬圖像聚焦到的表面的尺寸之比來確定左眼顯示面板和右眼顯示面板偏移的會聚水平偏移量。根據(jù)本公開的第六實施例，在偏移了所述預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置左眼顯示面板和右眼顯示面板，其中位置精度為若干微米或更少，從而可以保持畫質(zhì)并且可以降低觀看虛擬圖像的用戶的疲勞。本公開實施例的其他目的、特征和優(yōu)點將通過稍后描述的本公開的實施例和基于附圖的進一步詳細(xì)描述而清楚可見。


圖1示意性地圖示包括頭戴式顯示器的圖像顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖2示意性地圖示頭戴式顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖3是圖示頭戴式顯示器的主體的俯視圖。圖4圖示頭戴式顯示器怎樣顯示虛擬圖像。圖5示出電影院的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示例。圖6示出將距離用戶眼睛20米遠(yuǎn)的約750英寸的虛擬圖像聚焦在視網(wǎng)膜上的寬視角光學(xué)系統(tǒng)和顯示面板的布局的示例。圖7示出寬視角光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力的特性。圖8示出屏幕尺寸的放大倍率和深度之間的關(guān)系(當(dāng)屏幕尺寸加倍時)。圖9示出屏幕尺寸的放大倍率和深度之間的關(guān)系(當(dāng)屏幕尺寸放大了 α倍時)。圖10示出相對于左眼球的位置偏移了會聚水平偏移量的地點中的顯示面板的布局。
具體實施例方式現(xiàn)在參照附圖描述本公開的實施例。圖1示意性地示出了包括頭戴式顯示器的圖像顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖1中所示的圖像顯示系統(tǒng)包括頭戴式顯示器10的主體和作為視聽內(nèi)容的源的藍光盤再現(xiàn)裝置20。HDMI線纜用于連接在藍光盤再現(xiàn)裝置20和頭戴式顯示器10之間以及前端盒40 和高視覺顯示器30之間。然后，藍光盤再現(xiàn)裝置20再現(xiàn)在所插入的藍光盤(未示出)中記錄的視聽數(shù)據(jù)，并且以HDMI格式將其輸出?；贒VI (digital visual interface，數(shù)字視頻接口)并使用 TMDS(transition minimized differential signaling，最小化傳輸差分信號)作為物理層的HDMI (high-definition multimedia interface，高清多媒體接口) 是用于主要發(fā)送視頻和音頻數(shù)據(jù)的數(shù)字家用電器的接口標(biāo)準(zhǔn)。此系統(tǒng)例如符合HDMI 1.4。 藍光盤再現(xiàn)裝置20可以將再現(xiàn)信號輸出至HDMI電視接收器(未示出)，但是由于其并不與本公開的內(nèi)容直接相關(guān)，因此未提供描述。頭戴式顯示器10包括相互分離的左眼顯示單元和右眼顯示單元。左眼顯示單元和右眼圖像單元例如包括有機EL器件。左眼顯示單元和右眼圖像單元還包括具有低失真和高分辨率的寬視角光學(xué)系統(tǒng)。頭戴式顯示器10通過HDMI線纜獲得驅(qū)動功率。圖2示意性地圖示頭戴式顯示器10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2中所示的頭戴式顯示器 10包括HDMI信號接收單元11、信號處理器12、VRAM (video RAM，視頻RAM) 13、面板控制器 14、ROM (read only memory,只讀存儲器)15、CPU (central processing unit,中央處理單元)16、RAM (random access memory,隨機存取存儲器)17以及左眼和右眼顯示面板18L和 ISR0頭戴式顯示器10可以包括音頻信號處理系統(tǒng)和諸如耳機之類的音頻輸出單元(這些組件沒有示出)。
ROM 15存儲處理程序或用于處理的數(shù)據(jù)。CPU 17運行從ROM 15加載至RAM 17 的程序，并且整體地控制頭戴式顯示器10的工作。HDMI信號接收單元11經(jīng)由與前端盒40連接的HDMI線纜接收AV信號(例如，3D AV信號)。信號處理器12對接收到的AV信號進行信號處理，并且生成屏幕信息。生成的屏幕信息暫存在VRAM (frame memory,幀存儲器)13中。左眼和右眼顯示面板18L和18R包括高分辨率的有機EL器件。左眼和右眼顯示面板18L和18R均與寬視角光學(xué)系統(tǒng)組合以配置左右顯示單元。寬視角光學(xué)系統(tǒng)未在圖2 中示出。寬視角光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性和對應(yīng)于寬視角光學(xué)系統(tǒng)的左眼和右眼顯示面板18L 和18R的細(xì)節(jié)將在稍后加以描述。面板控制器14以預(yù)定的顯示間隔從VRAM 13讀取屏幕信息，并且驅(qū)動左眼和右眼顯示面板18L和18R以顯示屏幕信息。頭戴式顯示器10的外觀沒有示出，然而其類似于用于視覺校正的眼鏡，并且包括主體和左右支架(temple)單元(耳朵掛鉤)。當(dāng)用戶佩戴眼鏡時，主體置于用戶面部的前方。當(dāng)將主體戴在用戶頭部時，左耳和右耳的支架單元鉤在兩個耳朵上。主體支撐包括左眼和右眼顯示面板18L和18R和對應(yīng)的寬視角光學(xué)系統(tǒng)的左右顯示單元，并且并入圖2中所示的電子電路系統(tǒng)。多聲道耳機可以連接至左右支架單元中的每一個。鼻墊附于用戶鼻子所接觸的主體位置的兩側(cè)。當(dāng)用戶佩戴頭戴式顯示器10時，與用戶鼻子接觸的鼻墊防止主體滑落并且將左右顯示單元保持在相對于左右眼的優(yōu)選高度。圖3是圖示頭戴式顯示器10的主體的俯視圖。頭戴式顯示器10具有相互分離的左右寬視角光學(xué)系統(tǒng)。在眼睛高度和瞳孔間距離方面，在個體之間存在變化，從而寬視角光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與佩戴它們的用戶的眼睛對準(zhǔn)。據(jù)此，將用于調(diào)節(jié)瞳孔間距離的瞳孔間距離調(diào)節(jié)機構(gòu)布置在右眼和左眼顯示單元之間。瞳孔間距離調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的機械部分可以任意地確定。將參照圖4描述頭戴式顯示器10怎樣顯示虛擬圖像?？紤]預(yù)定的會聚角(眼睛閉合角)創(chuàng)建作為立體視頻圖像的源的左眼圖像信息和右眼圖像信息。頭戴式顯示器10在單獨的屏幕上顯示左眼圖像和右眼圖像，以使得用戶的眼睛可以通過合成兩個屏幕來觀看立體圖像。左眼和右眼顯示面板18L和18R上顯示的圖像經(jīng)由寬視角光學(xué)系統(tǒng)31L和31R 變?yōu)榉糯蟮奶摂M圖像。當(dāng)虛擬圖像聚焦于左右眼的視網(wǎng)膜時，它們進入大腦作為單獨的信息項，并且在大腦內(nèi)組合為一個立體圖像。此時，在左眼和右眼顯示面板18L和18R之間和寬視角光學(xué)系統(tǒng)31L和31R之間給出取決于視點位置的某個會聚角θ。根據(jù)設(shè)定的會聚角 θ創(chuàng)建左眼圖像和右眼圖像。在用作左眼和右眼顯示面板18L和18R的高分辨率的有機EL器件與多聲道耳機組合的頭戴式顯示器10中，可以再現(xiàn)與電影院中相同的真實感。圖5示出電影院的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示例。在圖5所示的電影院中，共計安排了包括B E排、F S排和T排(最后排)在內(nèi)的19排座位。K和J排中包括的座位是優(yōu)質(zhì)座位。在圖5中，屏幕寬度是16. 5米。當(dāng)寬高比校正為16 9時，屏幕寬度是16. 5米， 高度是9. 3米，并且圖像尺寸是745. 3英寸。每個座位到屏幕的距離示出在下面的表1中。
表 權(quán)利要求
1.一種頭戴式顯示器，包含 左眼顯示面板，其顯示左眼圖像；左眼光學(xué)系統(tǒng)，其具有從45到55度的視角，并且形成左眼圖像的虛擬圖像； 右眼顯示面板，其顯示右眼圖像；右眼光學(xué)系統(tǒng)，其具有從45到55度的視角，并且形成右眼圖像的虛擬圖像；以及顯示控制單元，其控制左眼顯示面板和右眼顯示面板的屏幕顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的頭戴式顯示器，其中左眼光學(xué)系統(tǒng)形成距離左眼10米或以上的左眼圖像的大約750英寸的放大虛擬圖像；以及右眼光學(xué)系統(tǒng)形成距離右眼10米或以上的右眼圖像的大約750英寸的放大虛擬圖像。
3.如權(quán)利要求1所述的頭戴式顯示器，其中，在相對于對應(yīng)眼球的偏移的范圍中，左眼光學(xué)系統(tǒng)和右眼光學(xué)系統(tǒng)中的每一個均具有實質(zhì)上均勻的分辨能力。
4.如權(quán)利要求1所述的頭戴式顯示器，其中，在從左眼球的位置偏移預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置左眼顯示面板；并且在從右眼球的位置偏移預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置右眼顯示面板。
5.如權(quán)利要求4所述的頭戴式顯示器，其中，基于最大瞳孔間距離以及左眼顯示面板和右眼顯示面板的尺寸與虛擬圖像聚焦到的表面的尺寸之比，設(shè)定所述會聚水平偏移量。
6.如權(quán)利要求5所述的頭戴式顯示器，其中，在偏移了所述預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置左眼顯示面板，并且在偏移了所述預(yù)定的會聚水平偏移量的地點布置右眼顯示面板，其中位置精度為若干微米或更少。
全文摘要
在此公開頭戴式顯示器，其包含左眼顯示面板，其顯示左眼圖像；左眼光學(xué)系統(tǒng)，其具有從45到55度的視角，并且形成左眼圖像的虛擬圖像；右眼顯示面板，其顯示右眼圖像；右眼光學(xué)系統(tǒng)，其具有從45到55度的視角，并且形成右眼圖像的虛擬圖像；以及顯示控制單元，其控制左眼顯示面板和右眼顯示面板的屏幕顯示。
文檔編號G02B27/22GK102566052SQ201110449719
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者楢原立也, 清水將之 申請人:索尼公司