CN103487939B - 可调头戴显示光学系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴显示光学系统，包括图像源模块、光束整形系统、光学组合器及至少一组微调机构，所述微调机构用于调整图像源模块、光束整形系统和光学组合器三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节。本发明还公开了对应的头戴显示装置及在HMD光学系统中实现虚像到人眼距离远近调节的方法，由于头戴显示光学系统虚像距人眼的距离可根据用户的需求做调整，能最大限度的保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度；且在增强现实应用中，当景深变化时，可通过调节虚像距人眼的距离，使虚像与实际环境贴合，能达到真正的增强显示效果，可极大增强用户体验。

Description

可调头戴显示光学系统及其调节方法

技术领域

本发明涉及可穿戴计算头戴显示设备领域，尤其涉及一种头戴显示光学系统、头戴显示装置及在HMD光学系统中实现虚像到人眼距离远近调节的方法。

背景技术

现有的HMD（HeadMountDisplay，头戴式可视设备）虚拟现实/增强现实的显示系统，由于光学显示系统是按照一固定成像距离设计，因此图像源经光学显示系统后在人眼前方显示的虚像距人眼的距离是固定的，然而每个人对视线距离的需求是不一样的，有的人希望虚像距离人眼远一些，有的人却希望近一些，如此，这些显示系统不能最大限度的保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度。另外在增强现实应用中，由于虚像距人眼的距离是不变的，而所处环境是时刻改变的，通过这些显示系统看到的虚像是飘浮在空中的，与实际环境脱离，不仅不能达到真正的增强显示效果，而且用户体验极差。

发明内容

本发明的目的是提供一种头戴显示光学系统、头戴显示装置及在HMD光学系统中实现虚像到人眼距离远近调节的方法，解决现有头戴显示光学系统虚像距人眼的距离不可调的缺陷，可根据用户调节指令调节虚像到人眼距离的远近。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种头戴显示光学系统，包括图像源模块、光束整形系统和光学组合器，所述光学系统还包括至少一组微调机构，所述微调机构用于调整图像源模块、光束整形系统和光学组合器三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节。

优选的，微调机构采用螺纹副传动微调方式，每组微调机构包括驱动控制板、微型步进电机、齿轮副、转动螺杆、移动螺母座；需移动的光学组件安装固定在移动螺母座上，微型步进电机在驱动控制板的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆转动来带动移动螺母座的轴向移动。

其中，所述需移动的光学组件包括图像源模块、光束整形系统或光束整形系统中各光学元件中的一个或多个，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构。

优选的，预先为所述光学系统设计N组虚像到人眼距离与光学组件位置关系之间的对应数据表，将此数据表预先输入HMD主控系统，形成N档调节参数，N为大于等于2的正整数；用户使用时，主控系统根据接收到的用户调节指令，在所述数据表中查询目标档位的调节参数，将所述目标档位的调节参数转换为脉冲信号发送到微调机构。

优选的，用户调节指令包括通过人机交互方式对HMD主控系统发出的手势指令、语音指令或硬件按键指令。

相应的，本发明还提供了一种头戴显示装置，所述头戴显示装置包括上述头戴显示光学系统。

相应的，本发明还提供了一种在HMD光学系统中实现虚像到人眼距离远近调节的方法，所述HMD光学系统包括图像源模块、光束整形系统和光学组合器，在所述HMD光学系统中加入至少一组微调机构，所述调节方法包括：预先为光学系统设计N组虚像到人眼距离与光学组件位置关系之间的对应数据表，将此数据表预先输入HMD主控系统，形成N档调节参数，N为大于等于2的正整数；用户使用时，HMD主控系统根据接收到的用户调节指令，在所述数据表中查询目标档位的调节参数；根据查询到的调节参数控制微调机构，以调整图像源模块、光束整形系统和光学组合器三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节。

优选的，所述微调机构采用螺纹副传动微调方式，每组微调机构包括驱动控制板、微型步进电机、齿轮副、转动螺杆、移动螺母座；需移动的光学组件安装固定在移动螺母座上，微型步进电机在驱动控制板的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆转动来带动移动螺母座的轴向移动。

其中，所述需移动的光学组件包括图像源模块、光束整形系统或光束整形系统中各光学元件中的一个或多个，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构；HMD主控系统将查询到的目标档位的调节参数转换为脉冲信号发送到驱动控制板，用脉冲信号控制微型步进电机稳定转过给定的步数；微型步进电机通过齿轮副将力矩和转动传递给转动螺杆，实现光学组件位置关系的微调。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明头戴显示光学系统虚像距人眼的距离可根据用户的需求做调整，能最大限度的保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度，缓解视野疲劳；且在增强现实应用中，当景深变化时，可通过调节虚像距人眼的距离，使虚像与实际环境贴合，能达到真正的增强显示效果，可极大增强用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例头戴显示光学系统的一种结构示意图;

图2为本发明实施例头戴显示光学系统中微调机构的一种结构示意图;

图3为本发明实施例头戴显示装置的一种结构示意图;

图中标记：1-图像源模块，2-光束整形系统，3-光学组合器，4-人眼位置，5-虚像所在位置，6-微调机构，61-驱动控制板，62-微型步进电机，63-齿轮A，64-齿轮B，65-转动螺杆，66-移动螺母座，7-调节按键，8-HMD主控系统，9-镜架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例头戴显示光学系统的一种结构示意图，本发明实施例头戴显示光学系统，包括图像源模块1、光束整形系统2和光学组合器3，其中：图像源模块1用于显示计算机生成图像CGI图像，本发明实施例图像源模块1可为OLED、LCD或LCos显示器；光束整形系统2由多个光学元件组成，其主要作用是对图像源起放大作用，同时校正放大的虚像的像差，确保人眼经头戴显示光学系统观察到的虚像是清晰的；光学组合器3作为光路的转折及外界环境光进入人眼的通道，人眼经光学组合器可同时观察到放大的图像源和外界环境，光学组合器形式多种多样，本发明不作任何限制，光学组合器形式可参见文献：BernardKressandThadStarner,“Areviewofhead-mounteddisplays(HMD)technologiesandapplicationsforconsumerelectronics”Proc.ofSPIEVol.872087200A-1-12，其中的倾斜平板、PBS，平面反射光栅在显示系统中的作用为光路的转折及外界环境进入人眼的通道；曲面反射镜（球面、非球面、自由曲面），曲面反射光栅、自由曲面组合棱镜、反射/透射二元衍射元件、全息波导元件在显示系统中的作用同时起到光束整形与光路转折及外界环境进入人眼的通道。在图1中，光束整形系统2中各光学元件以21、22…2n表示，图像源模块1与光束整形系统2之间的轴向距离以L1表示，光束整形系统2和光学组合器3之间的轴向距离以L3表示，虚像到人眼的距离以L4表示，光束整形系统2中相邻两个光学元件之间的轴向距离以L21…L2n表示。本发明实施例头戴显示光学系统，除了包括常规的图像源模块1、光束整形系统2和光学组合器3外，还包括至少一组微调机构6，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构，微调机构6用于调整图像源模块1、光束整形系统2和光学组合器3三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统2中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节。图1所示的头戴显示光学系统仅示出了一组控制图像源模块1移动的微调机构，本领域技术人员根据这些附图完全可推断出安装多组微调机构的其他附图。

本发明实施例微调机构6优选采用螺纹副传动微调方式，参见图2，为本发明实施例头戴显示光学系统中微调机构6的一种结构示意图，每组微调机构6包括驱动控制板61、微型步进电机62、齿轮副（齿轮A63、齿轮B64）、转动螺杆65、移动螺母座66，转动螺杆65和移动螺母座66组成螺纹副。需移动的光学组件安装固定在移动螺母座66上，所述需移动的光学组件包括图像源模块1、光束整形系统2或光束整形系统2中各光学元件中的一个或多个，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构（图2以图像源模块1安装于移动螺母座66上为例），微型步进电机62在驱动控制板61的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆65转动来带动移动螺母座66的轴向移动，从而带动安装固定在移动螺母座66上的光学组件运行。

本发明实施例中，虚像到人眼的距离L4的调节可以通过以下几种方式来实现：

1）调节图像源模块1与光束整形系统2之间的轴向距离L1，此过程要求保持图像源模块1至光束整形系统2的距离在光束整形系统2的一倍焦距范围内；

2）调节光束整形系统2和光学组合器3之间的轴向距离L3；

3）调节光束整形系统2中各光学元件之间的位置关系；

4）以上两种或三种方法的结合使用。

由于HMD光学系统的特殊性，随意调节光学组件的间的位置关系可能造成视线不清、模糊扭曲等现象，因此本发明实施例优选支持根据预设档位调节光学组件的间的位置，每个档位的调节参数是经过专业人士设计，不会出现视线不清、模糊扭曲等现象。因此本发明实施例优选方案为：预先为所述光学系统设计N组虚像到人眼距离与光学组件位置关系之间的对应数据表，将此数据表预先输入HMD主控系统，形成N档调节参数，N为大于等于2的正整数；用户使用时，主控系统根据接收到的用户调节指令（调档指令），在所述数据表中查询目标档位的调节参数，将所述目标档位的调节参数转换为脉冲信号发送到微调机构，以实现光学组件的间的位置关系的微调。所述用户调节指令包括通过人机交互方式对HMD主控系统发出的手势指令、语音指令或硬件按键指令。

上述实施例主控系统根据用户调节指令控制微调机构运作，在实际运用过程中，主控计算机还可以根据设定好的程序来控制微调机构，对于微调机构由什么原始信号触发启动，本发明中不作任何限制。

本发明还提供了一种头戴显示装置，所述头戴显示装置包括上述头戴显示光学系统。参见图3，为本发明实施例头戴显示装置的一种结构示意图，图3所示的头戴显示装置为眼镜结构，包括镜架9、HMD主控系统8、调节按键7和图1所示的头戴显示光学系统。

本发明还提供了一种在HMD光学系统中实现虚像到人眼距离远近调节的方法，所述HMD光学系统包括图像源模块、光束整形系统和光学组合器，在所述HMD光学系统中加入至少一组微调机构（HMD光学系统结构参见图1，微调机构结构可参见图2），所述调节方法包括：预先为光学系统设计N组虚像到人眼距离与光学组件位置关系之间的对应数据表，将此数据表预先输入HMD主控系统，形成N档调节参数，N为大于等于2的正整数；用户使用时，HMD主控系统根据接收到的用户调节指令，在所述数据表中查询目标档位的调节参数，HMD主控系统将查询到的目标档位的调节参数转换为脉冲信号发送到微调机构中的驱动控制板，用脉冲信号控制微型步进电机稳定转过给定的步数；微型步进电机通过齿轮副将力矩和转动传递给转动螺杆，实现光学组件位置关系的微调，具体为：调整图像源模块、光束整形系统和光学组合器三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节。

下面，以仅微调图像源模块为例，具体调节过程为：

a:为光学系统设计优化多组虚像到人眼的距离L4与L1参数之间的对应数据表，将此数据表预先输入HMD的主控系统，形成多档调节参数；

b:用户使用HMD时，根据自身的需求通过人机交互方式（人机交互方式有：手势识别、语音控制、按键；本实施例中为按键形式）对主控系统发出调档命令；

c：主控系统对接收到的信息进行处理：查询目标档位虚像到人眼的距离L4与L1对应关系数据表，获得需输出的△L1数据（目标档位与当前档位L1的差量），将△L1数据转化为脉冲信号，并输出脉冲个数，将脉冲数传递给驱动板上的单片机；

d：驱动控制板上的单片机程序根据得到的脉冲数控制微型步进电机的驱动器，使微型步进电机稳定转过给定的步数；微型步进电机通过齿轮副将力矩和转动传递给微调螺杆实现图像源模块的微调。

本发明头戴显示光学系统虚像距人眼的距离可根据用户的需求做调整，能最大限度的保证用户在使用这些图像源模块时用眼的舒适度，缓解视野疲劳；且在增强现实应用中，当景深变化时，可通过调节虚像距人眼的距离，使虚像与实际环境贴合，能达到真正的增强显示效果，可极大增强用户体验。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种头戴显示装置，包括HMD主控系统、图像源模块、光束整形系统和光学组合器，其特征在于：所述HMD主控系统中预先存储有数据表，所述数据表为预先为光学系统设计的N组虚像到人眼距离与光学组件位置关系之间的对应数据表，其形成N档调节参数，N为大于等于2的正整数；

所述光学系统还包括至少一组微调机构，所述微调机构用于调整图像源模块、光束整形系统和光学组合器三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节；

用户使用时，HMD主控系统根据接收到的用户调节指令，在所述数据表中查询目标档位的调节参数，将所述目标档位的调节参数转换为脉冲信号发送到微调机构。

2.如权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，微调机构采用螺纹副传动微调方式，每组微调机构包括驱动控制板、微型步进电机、齿轮副、转动螺杆、移动螺母座；需移动的光学组件安装固定在移动螺母座上，微型步进电机在驱动控制板的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆转动来带动移动螺母座的轴向移动。

3.如权利要求2所述的头戴显示装置，其特征在于，所述需移动的光学组件包括图像源模块、光束整形系统或光束整形系统中各光学元件中的一个或多个，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构。

4.如权利要求1至3任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，用户调节指令包括通过人机交互方式对HMD主控系统发出的手势指令、语音指令或硬件按键指令。

5.在HMD光学系统中实现虚像到人眼距离远近调节的方法，所述HMD光学系统包括图像源模块、光束整形系统和光学组合器，其特征在于，在所述HMD光学系统中加入至少一组微调机构，所述调节方法包括：

预先为光学系统设计N组虚像到人眼距离与光学组件位置关系之间的对应数据表，将此数据表预先输入HMD主控系统，形成N档调节参数，N为大于等于2的正整数；

用户使用时，HMD主控系统根据接收到的用户调节指令，在所述数据表中查询目标档位的调节参数；根据查询到的调节参数控制微调机构，以调整图像源模块、光束整形系统和光学组合器三者之间的位置关系，和/或调整光束整形系统中各光学元件之间的位置关系，实现虚像到人眼距离的远近调节。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述微调机构采用螺纹副传动微调方式，每组微调机构包括驱动控制板、微型步进电机、齿轮副、转动螺杆、移动螺母座；需移动的光学组件安装固定在移动螺母座上，微型步进电机在驱动控制板的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆转动来带动移动螺母座的轴向移动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述需移动的光学组件包括图像源模块、光束整形系统或光束整形系统中各光学元件中的一个或多个，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构；HMD主控系统将查询到的目标档位的调节参数转换为脉冲信号发送到驱动控制板，用脉冲信号控制微型步进电机稳定转过给定的步数；微型步进电机通过齿轮副将力矩和转动传递给转动螺杆，实现光学组件位置关系的微调。