CN102937745B - 开放式头戴显示装置及其显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开放式头戴显示装置及其显示方法，属于头戴显示技术领域，其可解决现有的开放式头戴显示装置操作麻烦、显示效果不好的问题。本发明的开放式头戴显示装置包括：用于产生显示图像的显示单元；调焦透镜单元，用于调整显示图像相对用户眼睛的物距；图像采集单元，用于采集用户双眼的图像；焦距分析单元，用于根据用户双眼的图像得到用户眼睛的焦距；透镜调整单元，用于根据分析单元的控制命令调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使显示图像的物距等于用户眼睛的焦距。本发明的开放式头戴显示装置的显示方法包括：采集用户双眼图像；根据用户双眼图像计算得到用户眼睛的焦距；根据上述焦距调整调焦透镜单元的位置。

Description

开放式头戴显示装置及其显示方法

技术领域

本发明属于头戴显示技术领域，具体涉及一种开放式头戴显示装置及其显示方法。

背景技术

头戴显示装置(HMD,Head Mount Display)又称眼镜显示装置、视频眼镜、随身影院等，是以类似头盔或眼镜的形式直接戴在用户眼前的显示设备。如图1所示，头戴显示装置包括用于产生显示图像的显示单元1(如液晶显示器)；显示单元1优选有两个，分别为用户的左眼8、右眼8提供不同显示图像，以便实现3D显示；当然，如只有一个显示单元1为用户的一只眼睛8或双眼提供显示图像也是可行的。显示单元1优选位于装置两侧(如“眼镜腿”中)，它们发出的显示图像需经反射单元(由一系列反射镜片21、22组成)反射后才能到达用户眼睛8，这主要是为了节约装置空间；当然，如果没有反射单元，而将显示单元1直接设在用户眼睛8前方也是可行的。

由于头戴显示装置体积的限制，其显示图像只能从距人眼很近的地方发出，显示图像的物距(物体与人眼的距离)很小。而人眼要看清物体应满足：1/u+1/v=1/f；其中，u为物距，f为人眼焦距(可在一定范围内调整)，v为像距(当其等于晶状体到视网膜的距离时才能看清物体)。因此，物距很小时人眼焦距也要很小才能看清物体，但这会使眼睛疲劳，观看体验不好且损害视力。为此，头戴显示装置中还应具有调焦透镜（Focusing Lens）单元，其用于改变由显示单元1发出的光(即显示图像的光)的发散程度，从而将显示图像“模拟”成从较远处发出的“虚拟显示图像(虚像)”(即改变显示图像的物距)。调焦透镜单元3设在显示图像的光的传播路径中，每个调焦透镜单元3包括一个或多个调焦透镜，其除调整显示图像物距外，还可有放大显示图像、翻转显示图像等效果。

当然，以上的显示单元1、反射单元、调焦透镜单元3等均有多种不同的已知形式，在此不再详细描述。

头戴显示装置可分为封闭式和开放式两种。封闭式头戴显示装置如图2所示，其用户眼睛8前方的部分封闭，用户只能看到显示图像而看不到外界物体。开放式头戴显示装置如图3所示，其用户眼睛8前方的区域至少部分透光(若该处有反射镜片22，则优选为半反半透镜片)，从而用户可同时看到外界物体91和显示图像92(如有关外界物体信息)，其显示效果如图4所示。

由于人眼同一时刻焦距一定，故开放式头戴显示装置的显示图像物距(即“虚拟显示图像”到用户眼睛8间的距离)和外界物体的物距应相同；否则，当用户眼睛焦距与显示图像物距匹配时，显示效果不好，如图5所示，显示图像92清晰而与显示图像相应的外界物体91模糊不清；当用户眼睛焦距与外界物体的物距匹配时，则外界物体清晰而显示图像模糊。由于外界物体的物距不可改变，故只能使显示图像的物距与外界物体的物距相适应。显示图像物距的调整通过调整调焦透镜单元3在显示图像的光线传播方向(图1中箭头方向)中的位置实现，其可为整体调整调焦透镜单元3的位置，也可为调整其中部分调焦透镜的位置。通过调整调焦透镜的位置改变显示图像物距有多种已知的方式，故在此不再详细描述。目前，调焦透镜位置是由人工方式调整的，用户通过旋转旋钮等方式自行调整调焦透镜单元3的位置。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在使用开放式头戴显示装置时，用户所看的外界物体随时变化，其物距也随时变化，这就要求用户不断对显示图像物距进行调整，故操作麻烦；且人工调整很难及时进行，因此仍会出现图像模糊不清的现象，显示效果不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题包括，针对现有技术中开放式头戴显示装置操作麻烦、显示效果不好的问题，提供一种操作简单、显示效果好的开放式头戴显示装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种开放式头戴显示装置，包括：

用于产生显示图像的显示单元；

调焦透镜单元，用于调整所述显示图像相对用户眼睛的物距；

图像采集单元，用于采集用户双眼的图像；

焦距分析单元，用于根据所述用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距；

透镜调整单元，用于调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使所述显示图像相对用户眼睛的物距等于用户眼睛的焦距。

其中，“开放式头戴显示装置”中用户眼睛前方的区域至少部分透明(如半反半透)，从而用户既可看到由头戴显示装置产生的图像，又可看到真实的外界物体。“显示图像”是指由头戴显示装置产生并提供给用户的图像。“调整显示图像相对用户眼睛的物距”是指改变显示图像的光线的发散程度，从而将其“模拟”成从较远处发出的“虚拟显示图像”，“显示图像相对用户眼睛的物距”是指该“虚拟显示图像”到用户眼睛间的距离。“用户眼睛的焦距”是指当前用户眼睛的焦点到用户眼睛间的距离，也就是用户正在看的位置与用户眼睛间的距离。“根据用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距”是已知的技术，其通过分析用户眼睛的位置、形态等计算眼睛的焦距；例如，现有的视线控制系统(又称眼控系统、无影手等)中就是通过摄像头采集用户双眼的图像，并根据该图像分析出用户眼睛焦距和焦点的变化，再根据该焦距和焦点控制鼠标等；由于根据双眼图像计算眼睛焦距的技术是已知的，故在此不再详细描述。

本发明的开放式头戴显示装置中，可通过图像采集单元采集用户双眼的图像，并由焦距分析单元对图像进行分析得到用户眼睛的焦距，之后通过透镜调整单元调整显示图像的物距，使其与用户眼睛的焦距匹配，从而保证用户看到的显示图像和外界物体都是清晰的；由于上述调整是自动进行的，因此其不需用户操作，使用简单，同时可及时的对用户眼睛焦距的变化做出反应，时刻保持图像清晰，显示效果好。

优选的是，所述开放式头戴显示装置还包括：反射单元，用于将显示单元产生的显示图像反射到用户眼睛。

进一步优选的是，所述反射单元还包括图像采集镜片，所述图像采集镜片为半反半透镜片；其中所述图像采集单元采集由所述图像采集镜片反射的用户眼睛的图像，而所述显示图像透过所述图像采集镜片后传到用户眼睛；或所述图像采集单元采集透过所述图像采集镜片的用户眼睛的图像，而所述显示图像经所述图像采集镜片反射后传到用户眼睛。

优选的是，所述图像采集单元设在用户眼睛的前方，或所述图像采集单元设在用户眼睛的两侧。

优选的是，所述焦距分析单元根据用户双眼瞳孔间的距离计算用户眼睛的焦距。

优选的是，所述图像采集单元包括：两个图像采集器，分别用于采集用户左眼和右眼的图像；或一个图像采集器，用于采集用户双眼的图像。

进一步优选的是，所述图像采集器为CCD照相头或CCD摄像头。

优选的是，所述显示单元有两个，分别用于产生射入用户左眼和右眼的显示图像。

本发明所要解决的技术问题还包括，针对现有技术中开放式头戴显示装置操作麻烦、显示效果不好的问题，提供一种操作简单、显示效果好的开放式头戴显示装置的显示方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种开放式头戴显示装置的显示方法，所述开放式头戴显示装置中，显示单元产生显示图像，显示图像相对用户眼睛的物距由调焦透镜单元调整；所述开放式头戴显示装置的显示方法包括：

图像采集单元采集用户双眼的图像；

焦距分析单元根据所述用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距；

透镜调整单元根据所述用户眼睛的焦距调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使所述显示图像相对用户眼睛的物距等于用户眼睛的焦距。

本发明的开放式头戴显示装置的显示方法实际上是上述开放式头戴显示装置的显示方法，因此其操作简单、显示效果好。

优选的，所述焦距分析单元根据所述用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距包括：所述焦距分析单元根据用户双眼瞳孔间的距离计算用户眼睛的焦距。

附图说明

图1为现有的头戴显示装置的结构示意图；

图2为封闭式头戴显示装置的外观示意图；

图3为开放式头戴显示装置的外观示意图；

图4为开放式头戴显示装置中显示图像和外界物体物距相同时的显示效果示意图；

图5为开放式头戴显示装置中显示图像和外界物体物距不同时的显示效果示意图；

图6为本发明实施例1的开放式头戴显示装置的组成框图；

图7为本发明实施例2的开放式头戴显示装置的结构示意图；

图8为本发明实施例2的另一种开放式头戴显示装置的结构示意图；

图9为本发明实施例2的另一种开放式头戴显示装置的结构示意图；

图10为通过双眼瞳孔间的距离确定眼睛焦距的原理示意图。

其中附图标记为：1、显示单元；21、反射镜片；22、用户眼睛前方的镜片；23、图像采集镜片；3、调焦透镜单元；4、图像采集单元；8、用户眼睛；91、外界物体；92、显示图像。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图6所示，本实施例提供一种开放式头戴显示装置，其包括：

用于产生显示图像的显示单元。

调焦透镜单元，用于调整显示图像相对用户眼睛的物距。

图像采集单元，用于采集用户双眼的图像。

焦距分析单元，用于根据用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距。

透镜调整单元，用于调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使显示图像相对用户眼睛的物距等于用户眼睛的焦距。

本实施例的开放式头戴显示装置中，可通过图像采集单元采集用户双眼的图像，并由焦距分析单元对图像进行分析得到用户眼睛的焦距，之后通过透镜调整单元调整显示图像的物距，使其与用户眼睛的焦距匹配，从而保证用户看到的显示图像和外界物体都是清晰的；由于上述调整是自动进行的，因此其不需用户操作，使用简单，同时可及时的对用户眼睛焦距的变化做出反应，时刻保持图像清晰，显示效果好。

实施例2：

本实施例提供一种开放式头戴显示装置，如图7至图10所示，其包括显示单元1、调焦透镜单元3、图像采集单元4、焦距分析单元、透镜调整单元。

显示单元1用于产生显示图像，其可为液晶显示单元1(LCD)、有机电致发光显示单元1(OLED)等常规的显示器件。当然，为了适应头戴显示装置，显示单元1的体积应当很小，且应当具有较高的分辨率。

优选的，如图7至图9所示，显示单元1有两个，分别产生供用户左眼8和右眼8观看的显示图像，以便实现3D显示效果。当然，如只有一个显示单元1为用户的一只眼睛8提供显示图像，或一个显示单元1为用户的双眼提供一幅显示图像也是可行的。

优选的，显示单元1设在开放式头戴显示装置的侧部(如“眼镜腿”中)，故其显示面并不朝向用户的眼睛8，其发出的显示图像也不能直接到达用户眼睛8中。因此，此时开放式头戴显示装置中还应还包括反射单元，反射单元用于将显示单元1产生的显示图像反射到用户眼睛8中。反射单元由一系列的反射镜片21、22、23组成，反射镜片21、22、23的具体位置、个数、类型等根据显示单元1的情况而定，只要其能将显示图像反射到用户眼睛8中即可，由于反射单元有多种已知的形式，故在此不再详细描述。

在开放式头戴显示装置中，用户需要看到真实的外界物体，因此如果在用户眼睛8前方有反射镜片22，则其优选为半反半透镜片。半反半透镜片是一种常规的光学元件，其既可将部分光线反射(例如反射30%)，又可允许部分光线透过(例如透过70%)；从而其既可将显示图像反射到用户眼睛8中，同时又允许用户通过其看到外界物体。当然，如果用户眼睛8前方的反射镜片22只有反射作用也是可行的，但这样在用户的视野中就有一部分外界物体不能被看到。

当然，如果没有反射单元，而将显示单元1设在用户眼睛8前方(即类似图9中图像采集单元4的位置)，使其产生的显示图像直接进入用户眼睛8中也是可行的(此时要保证显示单元1不会阻挡用户观看外界物体的视线，故其可设在用户眼睛8的前上方或前下方等)。

调焦透镜单元3用于调整显示图像相对用户眼睛8的物距，也就是说，调焦透镜单元3可改变显示图像的光的发散程度，从而将其“模拟”成从较远处发出的“虚拟显示图像”；同时，调焦透镜单元3还可起到放大显示图像、翻转显示图像等作用。每个调焦透镜单元3可由一个或多个调焦透镜组成，且各调焦透镜可分布在由显示单元1到用户眼睛8的光路的不同位置处，由于调焦透镜的具体位置、数量、种类等有多种已知形式，故在此不再详细描述。

图像采集单元4则用于采集用户双眼的图像，并将该图像的数据传输给焦距分析单元。

优选的，如图7、图8所示，反射单元中还包括图像采集镜片23，该图像采集镜片23为半反半透镜片。显然，反射单元一方面可将显示图像反射到用户眼睛8中(图中实线的路径)，同时也会将用户眼睛8的图像以相反的路径反射回来(图中虚线的路径)，因此如果图像采集单元4直接设在显示图像的光路中以采集用户眼睛8的反射图像，则其必然会阻挡显示图像的传播。而在具有图像采集镜片23时，可如图7所示，使图像采集单元4采集由图像采集镜片23反射的用户眼睛8的图像，而显示图像透过图像采集镜片23后传到用户眼睛8；或者也可如图8所示，图像采集单元4采集从图像采集镜片23透过的用户眼睛8的图像，而显示图像则经图像采集镜片23反射后再传到用户眼睛8；总之，通过设置图像采集镜片23，可使用户眼睛8图像的采集与显示图像的传播互不影响。

优选的，图像采集单元4也可如图9所示，直接设在用户眼睛8前方，不经过反射单元而直接采集用户眼睛8的图像(因此也不必设置图像采集镜片23)；当然，此时图像采集单元4不应阻挡用户观看外界物体的视线，故其可设在用户眼睛8的前上方或前下方。当然，若根据产品的整体美观设计的要求，图像采集单元4还可以设在用户眼睛8的两侧。

优选的，图像采集单元4可如图7、图8所示，包括两个图像采集器，分别用于采集用户左眼8和右眼8的图像；或者，其也可如图9所示，只有一个图像采集器，用于采集用户双眼的图像。

优选的，上述图像采集器为CCD(电荷耦合元件)照相头或CCD摄像头。因为这两种图像采集器体积小、重量轻、成本低、技术成熟，特别适用于开放式头戴显示装置中。

总之，图像采集单元4的具体形式是多样的，其可设在不同位置，可直接采集用户眼睛8的图像也可采集经反射或透射的用户眼睛8的图像，可只包括一个图像采集器也可有两个图像采集器，图像采集器可为不同类型的器件，但只要其能够起到采集用户双眼图像的作用即可。

焦距分析单元用于对用户双眼的图像进行分析，从而计算得到用户眼睛的焦距(也就是得到用户眼睛8正在看多远之外的物体)，并根据该焦距向透镜调整单元发出控制命令；该焦距分析单元可为任何具有数据处理能力的单元，如CPU、微芯片等。

通过分析用户双眼图像得到用户眼睛焦距的技术是已知的。例如，目前市场上已经有了为身体残障用户服务的视线控制系统(又称眼控系统、无影手等)，其中就是通过摄像头采集用户双眼的图像，之后通过分析该图像确定用户眼睛的焦距和焦点位置的变化，并根据该变化对鼠标等进行控制(例如将鼠标移动到焦点的位置)。

优选的，焦距分析单元可通过分析用户双眼瞳孔间的距离得到用户眼睛的焦距，其基本原理如图10所示，当用户看较远(即焦距较大)的物体时，双眼瞳孔间的距离较远，以保证双眼视线相对平行，焦点更远(如图中实线所示)；而当用户看较近(即焦距较小)的物体时，双眼瞳孔间的距离较近，以保证双眼视线间夹角较大，焦点更近(如图中实线所示)。

当然，通过分析用户双眼图像而得到用户眼睛焦距还有其他的已知方法，在此就不再详细描述了。

透镜调整单元，其用于根据分析单元的控制命令调整调焦透镜单元3在显示图像的光线传播方向上的位置，使显示图像相对用户眼睛8的物距等于用户眼睛的焦距。

具体的，透镜调整单元可为任何能根据焦距分析单元的命令驱动调焦透镜单元3在显示图像的光线传播方向上运动的器件，例如微型液压单元、微型电机等。由于驱动调焦透镜单元3进行运动有多种不同的已知方法，故在此不再对其进行详细描述。同样，通过调整调焦透镜单元3的位置而改变显示图像的物距也有多种不同的方法，可为使部分调焦透镜的单独运动，也可为使调焦透镜单元3整体运动等，由于这些方法是已知的，故在此也不再详细描述。

显然，本实施例的开放式头戴显示装置中，可通过图像采集单元4实时采集用户双眼的图像（故当图像采集器为CCD照相机时应连续照相），并由焦距分析单元对图像进行分析得到用户眼睛的焦距，之后可通过透镜调整单元调整显示图像的物距，使其与当前用户眼睛的焦距匹配，从而保证用户看到的显示图像和外界物体都是清晰的；由于上述调整是自动进行的，因此其不需要用户操作，使用简单，同时其可及时对用户眼睛焦距的变化做出反应，时刻保持图像清晰，显示效果好。

实施例3：

本实施例提供一种开放式头戴显示装置的显示方法。该开放式头戴显示装置中，显示单元产生显示图像，显示图像相对用户眼睛的物距由调焦透镜单元调整。

本实施例的开放式头戴显示装置的显示方法包括：

图像采集单元采集用户双眼的图像。

焦距分析单元根据用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距。

透镜调整单元根据用户眼睛的焦距调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使显示图像相对用户眼睛的物距等于用户眼睛的焦距。

优选的，焦距分析单元根据用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距包括：焦距分析单元根据用户双眼瞳孔间的距离计算用户眼睛的焦距。

本实施例的开放式头戴显示装置的显示方法实际上是上述各实施例的开放式头戴显示装置的显示方法，因此其操作简单、显示效果好。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种开放式头戴显示装置，其特征在于，包括：

用于产生显示图像的显示单元；

调焦透镜单元，用于调整所述显示图像相对用户眼睛的物距；

图像采集单元，用于采集用户双眼的图像，所述图像采集单元设在用户眼睛的两侧；

焦距分析单元，用于根据所述用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距，具体为根据用户双眼瞳孔间的距离计算用户眼睛的焦距；

透镜调整单元，用于调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使所述显示图像相对用户眼睛的物距等于用户眼睛的焦距；

反射单元，用于将显示单元产生的显示图像反射到用户眼睛；反射单元包括图像采集镜片，所述图像采集镜片为半反半透镜片；其中，所述图像采集单元采集由所述图像采集镜片反射的用户眼睛的图像，而所述显示图像透过所述图像采集镜片后传到用户眼睛。

2.根据权利要求1所述的开放式头戴显示装置，其特征在于，所述图像采集单元包括：

两个图像采集器，分别用于采集用户左眼和右眼的图像；

或

一个图像采集器，用于采集用户双眼的图像。

3.根据权利要求2所述的开放式头戴显示装置，其特征在于，

所述图像采集器为CCD照相头或CCD摄像头。

4.根据权利要求1所述的开放式头戴显示装置，其特征在于，

所述显示单元有两个，分别用于产生射入用户左眼和右眼的显示图像。

5.一种开放式头戴显示装置的显示方法，所述开放式头戴显示装置中，显示单元产生显示图像，显示图像相对用户眼睛的物距由调焦透镜单元调整；其特征在于，所述开放式头戴显示装置的显示方法包括：

图像采集单元采集用户双眼的图像；

焦距分析单元根据所述用户双眼的图像计算得到用户眼睛的焦距，具体包括根据用户双眼瞳孔间的距离计算用户眼睛的焦距；

透镜调整单元根据所述用户眼睛的焦距调整调焦透镜单元在显示图像的光线传播方向上的位置，使所述显示图像相对用户眼睛的物距等于用户眼睛的焦距。