专利名称：头戴式显示器的制作方法
技术领域：
本公开涉及戴在用户的头部以提供虚拟图像的头戴式显示器，更具体地，涉及提供让用户体验与电影院的最佳座位中相同的真实性的虚拟图像的头戴式显示器。
背景技术：
通过将具有视差的图像显示在观看者的左右眼上，可以为观看者提供能够立体观看的3D图像。已经期望将3D图像技术应用于诸如电视广播、电影、远程通信和远程医疗之类的各种领域。例如，具有显示器件和3D眼镜的组合的时分立体图像显示系统已经很普遍 (例如，参见日本待审专利申请公开No. 2010-21731)。该显示器件以特别短的周期在屏幕上交替显示具有视差的左眼图像和右眼图像。该3D眼镜具有例如作为液晶透镜并且分别针对左眼部分和右眼部分提供的快门机构。用户戴在其头部以观看视频图像的显示器件(S卩，头戴式显示器(HMD， head-mounted display))已经分布广泛。头戴式显示器包括用于左右眼中每一个的显示器件，并且与头戴式耳机一起使用以便可以控制视觉和听觉的感知。如果将头戴式显示器配置为当其戴在头上时完全阻挡外部环境，则观看时虚拟现实的感觉增加。头戴式显示器可以将不同的视频图像投射到左右眼。如果在左右眼上显示具有视差的图像，则可以以与上面相同的方式提供3D图像。头戴式显示器是向用户提供虚拟图像的显示系统(即，将虚拟图像聚焦在视网膜上)。当物体出现在相比于焦点更加靠近透镜的位置时，虚拟图像出现在物侧。当用户看虚拟图像时，例如最好依据视频图像改变用户与形成虚拟图像的点之间的距离。例如，提出了提供适于视频图像的虚拟图像的显示器件(例如参见日本待审专利申请公开No. 2007-133415)。这种显示器件具有放大光学系统，其将用户的左右眼观看到的同一虚拟图像置于单个平面上，并且依据视频图像的宽高比控制用户和虚拟图像之间的距离以及虚拟图像的放大率。例如，对于基于高清广播的具有16 9的宽高比的电影或戏剧的视频图像，将距离用户大约15米远的远方位置上的大虚拟图像聚焦在视网膜上。对于基于NTSC(National Television System Committee)系统的具有4 3的宽高比的包括电视信号的视频图像，将距离用户大约3米的相对近位置上的中虚拟图像聚焦在视网膜上， 以便让用户体验真实感并降低观看虚拟图像期间的疲劳。如果将诸如有机电致发光(EL)之类的具有高分辨率的器件用作头戴式显示器的左右眼的显示单元，则通过光学系统设置充足的视场角，并且通过耳机再现多声道，然后可以再现与电影院的最佳座位中相同的真实感。发明人将要开发提供与电影院的最佳座位中相同的视听环境的头戴式显示器。在现有技术的产品中，将距离大约若干米远的约60英寸虚拟图像聚焦在视网膜上，并且视角略微在40度以下。当按照电影院来考虑这种情形时，距离屏幕若干米远的座位不是好的座位，并且此视角对于电影欣赏而言不够大。另一方面，如果此视角太大，则用户在阅读显示在屏幕端部附近的字幕时应当移动面部，从而此情形并不适合于电影欣赏。
发明内容
期望提供出众的头戴式显示器，其戴在用户的头部以给出优选的虚拟图像。还期望提供出众的头戴式显示器，其提供让用户体验与电影院的最佳座位中相同的真实感的虚拟图像。根据本公开的第一实施例，提供了一种头戴式显示器，包含左眼显示面板，其显示左眼图像；左眼光学系统，其具有从45到55度的视角，并且形成左眼图像的虚拟图像； 右眼显示面板，其显示右眼图像；右眼光学系统，其具有从45到55度的视角，并且形成右眼图像的虚拟图像；以及显示控制单元，其控制左眼显示面板和右眼显示面板的屏幕显示。根据本公开的第二实施例，第一实施例的头戴式显示器的左眼光学系统形成距离左眼10米或以上的左眼图像的大约750英寸的放大虚拟图像；并且右眼光学系统形成距离右眼10米或以上的右眼图像的大约750英寸的放大虚拟图像。根据本公开的第三实施例，第一实施例的头戴式显示器的左眼光学系统和右眼光学系统中的每一个在相对于对应眼球的偏移的范围中均具有实质上均勻的分辨能力。根据本公开的第四实施例，第一实施例的头戴式显示器的左眼显示面板布置在从左眼球的位置偏移预定的会聚水平偏移量的地点；并且右眼显示面板布置在从右眼球的位置偏移预定的会聚水平偏移量的地点。根据本公开的第五实施例，在第四实施例的头戴式显示器中，基于最大瞳孔间距离以及左眼显示面板和右眼显示面板的尺寸与虚拟图像聚焦到的表面的尺寸之比，设定所述会聚水平偏移量。根据本公开的第六实施例，在第五实施例的头戴式显示器中，在偏移了所述预定的会聚水平偏移量的地点布置左眼显示面板，并且在偏移了所述预定的会聚水平偏移量的地点布置右眼显示面板，其中位置精度为若干微米或更少。根据本公开的实施例，可以提供再现让用户体验与电影院的最佳座位中相同的真实感的虚拟图像的出众的头戴式显示器。根据本公开的第一或第二实施例，头戴式显示器可以聚焦距离用户眼睛20米的大约750英寸的放大虚拟图像，并且提供让用户体验与电影院的最佳座位中相同的真实感的立体视频图像。根据本公开的第三实施例，即使如果由于用户改变要观看的虚拟图像的点而使眼球转动并使瞳孔的位置偏移光学系统，头戴式显示器也可以提供具有特定分辨能力的虚拟图像。根据本公开的第四实施例，当观看头戴式显示器上的视频图像的用户的两眼依据视角而移动得彼此更接近时，左眼和右眼显示面板偏移了预定的会聚水平偏移量以得到最佳的视差。根据本公开的第五实施例，可以基于最大瞳孔间距离以及左眼显示面板和右眼显示面板的尺寸与虚拟图像聚焦到的表面的尺寸之比来确定左眼显示面板和右眼显示面板偏移的会聚水平偏移量。根据本公开的第六实施例，在偏移了所述预定的会聚水平偏移量的地点布置左眼显示面板和右眼显示面板，其中位置精度为若干微米或更少，从而可以保持画质并且可以降低观看虚拟图像的用户的疲劳。本公开实施例的其他目的、特征和优点将通过稍后描述的本公开的实施例和基于附图的进一步详细描述而清楚可见。
图1示意性地图示包括头戴式显示器的图像显示系统的结构。图2示意性地图示头戴式显示器的内部结构。图3是图示头戴式显示器的主体的俯视图。图4图示头戴式显示器怎样显示虚拟图像。图5示出电影院的内部结构的示例。图6示出将距离用户眼睛20米远的约750英寸的虚拟图像聚焦在视网膜上的宽视角光学系统和显示面板的布局的示例。图7示出宽视角光学系统的分辨能力的特性。图8示出屏幕尺寸的放大倍率和深度之间的关系(当屏幕尺寸加倍时)。图9示出屏幕尺寸的放大倍率和深度之间的关系(当屏幕尺寸放大了 α倍时)。图10示出相对于左眼球的位置偏移了会聚水平偏移量的地点中的显示面板的布局。
具体实施例方式现在参照附图描述本公开的实施例。图1示意性地示出了包括头戴式显示器的图像显示系统的结构。图1中所示的图像显示系统包括头戴式显示器10的主体和作为视听内容的源的蓝光盘再现装置20。HDMI线缆用于连接在蓝光盘再现装置20和头戴式显示器10之间以及前端盒40 和高视觉显示器30之间。然后，蓝光盘再现装置20再现在所插入的蓝光盘(未示出)中记录的视听数据，并且以HDMI格式将其输出。基于DVI (digital visual interface，数字视频接口)并使用 TMDS(transition minimized differential signaling，最小化传输差分信号)作为物理层的HDMI (high-definition multimedia interface，高清多媒体接口) 是用于主要发送视频和音频数据的数字家用电器的接口标准。此系统例如符合HDMI 1.4。 蓝光盘再现装置20可以将再现信号输出至HDMI电视接收器(未示出)，但是由于其并不与本公开的内容直接相关，因此未提供描述。头戴式显示器10包括相互分离的左眼显示单元和右眼显示单元。左眼显示单元和右眼图像单元例如包括有机EL器件。左眼显示单元和右眼图像单元还包括具有低失真和高分辨率的宽视角光学系统。头戴式显示器10通过HDMI线缆获得驱动功率。图2示意性地图示头戴式显示器10的内部结构。图2中所示的头戴式显示器 10包括HDMI信号接收单元11、信号处理器12、VRAM (video RAM，视频RAM) 13、面板控制器 14、ROM (read only memory,只读存储器)15、CPU (central processing unit,中央处理单元)16、RAM (random access memory,随机存取存储器)17以及左眼和右眼显示面板18L和 ISR0头戴式显示器10可以包括音频信号处理系统和诸如耳机之类的音频输出单元(这些组件没有示出)。
ROM 15存储处理程序或用于处理的数据。CPU 17运行从ROM 15加载至RAM 17 的程序，并且整体地控制头戴式显示器10的工作。HDMI信号接收单元11经由与前端盒40连接的HDMI线缆接收AV信号(例如，3D AV信号)。信号处理器12对接收到的AV信号进行信号处理，并且生成屏幕信息。生成的屏幕信息暂存在VRAM (frame memory,帧存储器)13中。左眼和右眼显示面板18L和18R包括高分辨率的有机EL器件。左眼和右眼显示面板18L和18R均与宽视角光学系统组合以配置左右显示单元。宽视角光学系统未在图2 中示出。宽视角光学系统的光学特性和对应于宽视角光学系统的左眼和右眼显示面板18L 和18R的细节将在稍后加以描述。面板控制器14以预定的显示间隔从VRAM 13读取屏幕信息，并且驱动左眼和右眼显示面板18L和18R以显示屏幕信息。头戴式显示器10的外观没有示出，然而其类似于用于视觉校正的眼镜，并且包括主体和左右支架(temple)单元(耳朵挂钩)。当用户佩戴眼镜时，主体置于用户面部的前方。当将主体戴在用户头部时，左耳和右耳的支架单元钩在两个耳朵上。主体支撑包括左眼和右眼显示面板18L和18R和对应的宽视角光学系统的左右显示单元，并且并入图2中所示的电子电路系统。多声道耳机可以连接至左右支架单元中的每一个。鼻垫附于用户鼻子所接触的主体位置的两侧。当用户佩戴头戴式显示器10时，与用户鼻子接触的鼻垫防止主体滑落并且将左右显示单元保持在相对于左右眼的优选高度。图3是图示头戴式显示器10的主体的俯视图。头戴式显示器10具有相互分离的左右宽视角光学系统。在眼睛高度和瞳孔间距离方面，在个体之间存在变化，从而宽视角光学系统应当与佩戴它们的用户的眼睛对准。据此，将用于调节瞳孔间距离的瞳孔间距离调节机构布置在右眼和左眼显示单元之间。瞳孔间距离调节结构的机械部分可以任意地确定。将参照图4描述头戴式显示器10怎样显示虚拟图像。考虑预定的会聚角(眼睛闭合角)创建作为立体视频图像的源的左眼图像信息和右眼图像信息。头戴式显示器10在单独的屏幕上显示左眼图像和右眼图像，以使得用户的眼睛可以通过合成两个屏幕来观看立体图像。左眼和右眼显示面板18L和18R上显示的图像经由宽视角光学系统31L和31R 变为放大的虚拟图像。当虚拟图像聚焦于左右眼的视网膜时，它们进入大脑作为单独的信息项，并且在大脑内组合为一个立体图像。此时，在左眼和右眼显示面板18L和18R之间和宽视角光学系统31L和31R之间给出取决于视点位置的某个会聚角θ。根据设定的会聚角 θ创建左眼图像和右眼图像。在用作左眼和右眼显示面板18L和18R的高分辨率的有机EL器件与多声道耳机组合的头戴式显示器10中，可以再现与电影院中相同的真实感。图5示出电影院的内部结构的示例。在图5所示的电影院中，共计安排了包括B E排、F S排和T排(最后排)在内的19排座位。K和J排中包括的座位是优质座位。在图5中，屏幕宽度是16. 5米。当宽高比校正为16 9时，屏幕宽度是16. 5米， 高度是9. 3米，并且图像尺寸是745. 3英寸。每个座位到屏幕的距离示出在下面的表1中。
表 权利要求
1.一种头戴式显示器，包含 左眼显示面板，其显示左眼图像；左眼光学系统，其具有从45到55度的视角，并且形成左眼图像的虚拟图像； 右眼显示面板，其显示右眼图像；右眼光学系统，其具有从45到55度的视角，并且形成右眼图像的虚拟图像；以及显示控制单元，其控制左眼显示面板和右眼显示面板的屏幕显示。
2.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中左眼光学系统形成距离左眼10米或以上的左眼图像的大约750英寸的放大虚拟图像；以及右眼光学系统形成距离右眼10米或以上的右眼图像的大约750英寸的放大虚拟图像。
3.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，在相对于对应眼球的偏移的范围中，左眼光学系统和右眼光学系统中的每一个均具有实质上均勻的分辨能力。
4.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，在从左眼球的位置偏移预定的会聚水平偏移量的地点布置左眼显示面板；并且在从右眼球的位置偏移预定的会聚水平偏移量的地点布置右眼显示面板。
5.如权利要求4所述的头戴式显示器，其中，基于最大瞳孔间距离以及左眼显示面板和右眼显示面板的尺寸与虚拟图像聚焦到的表面的尺寸之比，设定所述会聚水平偏移量。
6.如权利要求5所述的头戴式显示器，其中，在偏移了所述预定的会聚水平偏移量的地点布置左眼显示面板，并且在偏移了所述预定的会聚水平偏移量的地点布置右眼显示面板，其中位置精度为若干微米或更少。
全文摘要
在此公开头戴式显示器，其包含左眼显示面板，其显示左眼图像；左眼光学系统，其具有从45到55度的视角，并且形成左眼图像的虚拟图像；右眼显示面板，其显示右眼图像；右眼光学系统，其具有从45到55度的视角，并且形成右眼图像的虚拟图像；以及显示控制单元，其控制左眼显示面板和右眼显示面板的屏幕显示。
文档编号G02B27/22GK102566052SQ201110449719
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者楢原立也, 清水将之 申请人:索尼公司