CN104898276A - 头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种头戴式显示装置，包括壳体以及安装于壳体内的一组光学系统；其中，光学系统包括图像显示屏、光学放大透镜组和可反可透镜，图像显示屏位于光学放大透镜组上方，可反可透镜位于光学放大透镜组下方；光学系统的光路为：图像显示屏发出的图像光信息经光学放大透镜组透射后被可反可透镜反射至人眼；以及头戴式显示装置外部的环境光信息通过可反可透镜透射至人眼。本发明提供一种结构简单、佩带舒适的头戴式显示装置，使用户能够便捷地享受具有增强现实效果的视觉体验。

Description

头戴式显示装置

技术领域

本发明涉及光学及图像显示技术领域，尤其涉及一种头戴式显示装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得到的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的扩展信息或虚拟场景显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得到身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。增强现实技术通过对虚拟对象与现实环境进行充分地融合，能够有效地为用户提供认知周围真实环境的扩展信息或图像展示效果，同时实现用户与周围真实环境的信息交互。

现有的增强现实系统按照显示实现方式可分为视频透视式和光学透视式两种，采用光学透视式增强现实系统，来自真实环境的光线能够通过光学透镜组到达用户的眼睛，因此用户可以直接观察周围的真实环境，从而能够有效改善视频透视式增强现实系统中将真实环境图像与虚拟环境信息进行叠加融合后显示所存在的时延现象。与此同时，由于光学透视式增强现实系统的光学系统结构复杂，因此存在系统结构固定且体积较大等问题，成为光学透视式增强现实设备技术发展和推广普及过程中亟待解决的技术问题。

发明内容

基于上述技术问题至少之一，本发明的目的是提供一种结构简单、方便携带的头戴式显示装置，为使用者提供具有增强现实效果的使用体验。

有鉴于此，为了实现上述目的，本发明提供了一种头戴式显示装置，包括壳体以及安装于壳体内的一组光学系统；所述光学系统包括图像显示屏、光学放大透镜组和可反可透镜，所述图像显示屏位于所述光学放大透镜组上方，所述可反可透镜位于所述光学放大透镜组下方；所述光学系统的光路为：所述图像显示屏发出的图像光信息经所述光学放大透镜组透射后被所述可反可透镜反射至人眼；以及，头戴式显示装置外部的环境光信息通过所述可反可透镜透射至人眼。

优选地，头戴式显示装置还包括用于获取头戴式显示装置外部图像的图像采集模块，所述图像采集模块包括一个或多个摄像头。

优选地，所述图像采集模块包括用于获取头戴式显示装置外部深度图像的景深摄像头。

优选地，头戴式显示装置还包括用于通过检测人眼眼球运动状态确定人眼视线信息的视线跟踪模块，视线跟踪模块包括采集人眼图像的摄像头。

优选地，头戴式显示装置还包括像素遮蔽层，像素遮蔽层位于可反可透镜远离人眼一侧，用于根据图像显示屏显示的图像内容在可反可透镜中的投影位置，调节像素遮蔽层对应区域的透光率。

优选地，头戴式显示装置还包括交互控制模块，交互控制模块包括如下之一或组合：手势交互单元，用于与图像采集模块连接，根据图像采集模块获取的手势图像，识别确定手势交互指令；眼动交互单元，用于与眼动跟踪模块连接，根据眼动跟踪模块获取的人眼眼球运动状态，识别确定眼动交互指令；体感交互单元，用于通过传感器采集人体肢体动作信息，根据获取的肢体动作信息，识别确定体感交互指令；语音交互单元，用于通过麦克风采集语音信息，根据获取的语音信息，识别确定语音交互指令。

优选地，头戴式显示装置还包括供电模块，供电模块通过电路与图像显示屏、图像采集模块、视线跟踪模块和交互控制模块连接，通过内置或外接电源为所述头戴式显示装置供电。

优选地，光学放大透镜组由一个或多个菲涅尔透镜组成，或者由一个或多个球面透镜和/或非球面透镜组成，或者由一个或多个菲涅尔透镜及球面透镜和/或非球面透镜组成。

优选地，所述图像显示屏对图像内容进行分屏显示。

优选地，头戴式显示装置还包括与壳体连接的头戴伸缩带或支撑架。

采用本发明头戴式显示装置，使用者双眼位于光学系统中可反可透镜的后方，即光学系统的出口处，既可以通过光学系统接收来自图像显示屏发出的图像光信息，又可以通过可反可透镜接收头戴式显示装置外部的环境光信息，两组光信息经过光学系统的光学路径传输之后，在使用者双眼视网膜上叠加成像。同时，通过对图像采集模块获取的头戴式显示装置前方环境及物体图像进行识别分析，能够通过图像显示屏显示相关内容并叠加融合于真实环境图像中，从而实现使用者通过本发明头戴式显示装置观察真实环境及物体时，与真实环境及物体相关的扩展信息及其他虚拟物体图像能够融合显示在使用者的视野范围内，呈现具有增强现实效果的图像。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1示出了本发明实施例头戴式显示装置结构的第一示意图；

图2示出了本发明实施例头戴式显示装置结构的第二示意图；

图3示出了本发明实施例头戴式显示装置结构的第三示意图；

图4示出了本发明实施例头戴式显示装置光学系统结构的第一示意图；

图5示出了本发明实施例头戴式显示装置光学系统结构的第二示意图；

图6示出了本发明实施例头戴式显示装置光学系统结构的第三示意图；

图7示出了本发明实施例头戴式显示装置光学系统结构的第四示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，这仅仅是本发明的一些实施例，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了本发明实施例头戴式显示装置结构的第一示意图。

本发明实施例头戴式显示装置，包括壳体1以及安装于壳体1内的一组光学系统；如图4所示，光学系统包括图像显示屏2、光学放大透镜组3和可反可透镜4，图像显示屏2位于光学放大透镜组3上方，可反可透镜4位于光学放大透镜组3下方；光学系统的光路为：图像显示屏2发出的图像光信息经光学放大透镜组3透射后被可反可透镜4反射至人眼21；以及，头戴式显示装置外部的环境光信息通过可反可透镜4透射至人眼21。

在本实施例中，可反可透镜4位于光学放大透镜组3下方，与图像显示屏2呈30度～60度夹角，图像显示屏2发出的图像光信息经光学放大透镜组3透射后，经可反可透镜4反射至人眼21，在人眼视网膜上形成放大的虚像。

在本实施例中，头戴式显示装置还包括用于获取头戴式显示装置外部图像的图像采集模块，如图1所示，图像采集模块包括一个或多个摄像头,其中可以通过RGB摄像头51和RGB摄像头52采集头戴式显示装置外部的环境图像，解析环境图像获取环境光信息、物体的位置距离信息，也可以通过RGB摄像头51与景深摄像头52配合，进行头戴式显示装置外部环境图像的采集，对环境物体进行测距、获取物体的三维影像以及捕捉用户的手势动作等。

在本实施例中，头戴式显示装置根据图像采集模块获取的环境图像，包括环境光信息、物体位置及景深信息等，可以通过图像识别解析进而获取与所述环境或物体相关的信息内容，将信息内容发送至图像显示屏进行显示，例如，识别出环境图像中包含的建筑物，获取与环境图像中建筑物相关的介绍内容后，发送至图像显示屏进行显示；也可以根据环境图像信息及物体景深信息，进一步获取与环境图像能够融合显示的图像或文字内容，发送至图像显示屏进行显示，例如，头戴式显示装置外部环境图像为辽阔的海面，将能够与之融合的巨大的轮船图像发送至图像显示屏进行显示；还可以根据环境图像的色彩信息、亮度信息等，将功能应用的显示界面和/或用户交互界面与环境图像进行叠加显示，例如，将通话界面、邮件界面、短信界面、日程提醒界面等通过图像显示屏进行显示。

本发明实施例头戴式显示装置通过光学系统形成两路光学通路，外界环境图像与图像显示屏中显示图像能够通过两路光学通路分别传送至使用者双眼，在使用者双眼视网膜上叠加融合，使得头戴式显示装置的使用者以正常视野查看外界真实环境的同时，能够获得图像显示屏显示的与真实环境图像相关的内容或者其他能够与外界环境图像融合的内容，叠加显示后具有增强现实的显示效果。

本发明实施例头戴式显示装置，还包括用于通过检测人眼眼球运动状态确定人眼视线信息的视线跟踪模块，视线跟踪模块包括采集人眼图像的摄像头。

在本实施例中，如图2所示，头戴式显示装置中的视线跟踪模块可以通过摄像头61和摄像头62分别采集左右眼眼球附近区域的图像，当使用者的眼睛注视不同的方向或不同距离的物体时，眼部会产生细微的变化，这些变化会产生可以提取的眼部特征，通过图像识别(如瞳孔定位、眼角点检测等)提取眼部图像特征进行人眼的定位跟踪以及眼球的运动状态分析，从而根据视线模型估算使用者的视线方向，同时根据双眼视线夹角计算出使用者注视的目标物体的位置。也可以通过摄像头61和摄像头62连续获取从人眼角膜和瞳孔反射的红外线从而记录视线变化，具体地，通过红外线辅助光源照射人脸部，在人眼角膜表面形成反射亮斑，人眼在注视不同位置时眼球发生相应的转动，视线跟踪模块根据人眼角膜上的反射亮斑与人眼瞳孔中心点相对位置的变化，确定人眼视线的变化及注视的位置，实现视线跟踪的目的。

本发明实施例头戴式显示装置，根据图像采集模块获取的外界图像及物体景深信息，结合视线跟踪模块获取的人眼视线信息，能够准确地确定使用者正在注视的真实环境中的物体，通过图像识别与信息获取，控制图像显示屏在对应位置显示与使用者当前注视的物体相关的内容，经头戴式显示装置的光学系统的两路光学路径传输后，图像显示屏中显示的内容融合显示在使用者的真实视野中，实现使用者在注视真实环境物体时，能够同时在视野中(如真实物体的附近区域)查看到与真实环境物体相关的内容，具有增强现实的显示效果。

在上述任一实施例中，如图5所示，本发明头戴式显示装置还包括像素遮蔽层7，像素遮蔽层7位于可反可透镜4远离人眼一侧，用于根据图像显示屏显示的图像内容在可反可透镜4中的投影位置，调节像素遮蔽层7对应区域的透光率。具体地，像素遮蔽层7可以是调光液晶屏或调光液晶膜，通过在外加电场的作用下改变液晶微滴的排列分布顺序，能够实现像素级别的透光率调节。

本发明头戴式显示装置，像素遮蔽层位于可反可透镜远离人眼一侧，外界环境光信息透过像素遮蔽层后到达可反可透镜。该头戴式显示装置根据图像显示屏显示的图像内容经光学放大透镜组透射后在可反可透镜中的投影位置，调节像素遮蔽层中与该位置对应区域的透光率。外界环境光强时，像素遮蔽层中对应区域的透光率降低，减少该位置区域的透光量；外界环境光弱时，像素遮蔽层中对应区域的透光率提高，增加该位置区域的透光量，从而调整像素遮蔽层中对应区域在可反可透镜中的投影位置的光强，在图像显示屏中显示的内容与使用者的真实视觉图像进行融合时，降低由于外部环境光强度过强或过弱导致的外部环境光线对图像显示屏中显示内容可见度及显示效果的影响。进一步地，还可以根据环境条件或使用需求，调整像素遮蔽层整体区域的透光率，例如，可以使像素遮蔽层整体调整至不透光状态，完全阻隔外部环境光透过可反可透镜到达人眼，从而使人眼只接收来自图像显示屏发出的图像光信息。

在上述任一实例中，本发明头戴式显示装置还包括交互控制模块，交互控制模块包括如下之一或组合：手势交互单元，与图像采集模块连接，通过图像采集模块获取手势图像，并根据图像采集模块获取的手势图像，识别确定手势交互指令；眼动交互单元，与视线跟踪模块连接，通过视线跟踪模块获取人眼眼球运动状态图像，并根据视线跟踪模块获取的眼动状态图像，识别确定眼动交互指令；体感交互单元，通过传感器采集人体的肢体动作信息，根据获取的肢体动作信息，识别确定体感交互指令；语音交互单元，通过麦克风采集语音信息，根据获取的语音信息，识别确定语音交互指令。

本发明头戴式显示装置，通过交互控制单元获取使用者的交互控制指令，包括手势交互指令、眼动交互指令、体感交互指令和/或语音交互指令，使用者可以根据交互控制指令对头戴式显示装置进行控制和操作，例如，调整图像显示屏的亮度、控制图像显示屏显示内容的切换调整以及根据图像显示屏中显示的用户交互界面进行交互操作等。

在上述任一实施例中，本发明头戴式显示装置还包括供电模块，通过电路与图像显示屏、图像采集模块、视线跟踪模块和交互控制模块连接，通过内置或外接电源为头戴式显示装置供电。

在上述任一实施例中，本发明头戴式显示装置的光学放大透镜组，可以是单片菲涅尔透镜或多片菲涅尔透镜组合，也可以是球面透镜、非球面透镜或多个球面和/或非球面透镜的组合，亦可以是菲涅尔透镜与球面透镜和/或非球面透镜的组合。

在上述任一实施例中，本发明头戴式显示装置的图像显示屏将图像进行左右分屏显示，分屏显示后的左右屏图像经光学系统的光路传输后，分别被使用者的左右眼接收。其中，图像显示屏中分屏显示的可以是格式一致的左右分屏图像，也可以是存在预设视差的左右分屏图像。具体地，当图像显示屏中分屏显示的图像是格式一致的左右分屏图像时，使用者看到的是平面图像；当图像显示屏中分屏显示的图像是存在预设视差的左右分屏图像时，使用者看到的是具有3D效果的立体图像。

本发明头戴式显示装置的图像显示屏还可以为对应于使用者双眼的两个独立的图像显示屏，图像内容分别在两个图像显示屏中显示，两个图像显示屏中显示的图像内容经光学系统的光路传输后，分别被使用者的左右眼接收。其中，两个图像显示屏中显示的可以是格式一致的图像，也可以是存在预设视差的图像。具体地，当两个图像显示屏中显示的是格式一致的图像时，使用者看到的是平面图像；当两个图像显示屏中显示的是存在预设视差的图像时，使用者看到的是具有3D效果的立体图像。

在上述任一实施例中，如图3所示，本发明头戴式显示装置的可反可透镜可以是由分别对应于左右眼的两片独立可反可透镜组成，也可以是一片可反可透镜由双眼共用。

在另一实施例中，如图6所示，可反可透镜替换为两块胶合的直角棱镜41和直角棱镜42，直角棱镜41或直角棱镜42的斜面镀有可反可透膜，镀有可反可透膜的直角棱镜斜面与图像显示屏呈30度～60度的夹角。

在另一优选的实施例中，如图7所示，头戴式显示装置靠近人眼侧与远离人眼侧分别安装有透光片81和透光片82，透光片81和透光片82可以是光学石英片，透光片表面是平面或弧面的，具有良好的透光性的同时，能够形成相对封闭的空间以保护光学系统中的光学元件。

在另一优选实施例中，头戴式显示装置的近眼侧还安装有屈光度调节结构，屈光度调节结构可以在一定范围内调节光学系统的屈光度，头戴式显示装置的使用者可以在不佩戴眼镜的情况下正常使用该头戴式显示装置。

本发明各实施例头戴式显示装置，根据图像显示屏显示内容与使用者真实视野进行叠加及融合显示的需要，可反可透镜可以具有不同的反射透射率，具体地，可反可透镜可以在表面镀有不同反射透射比例的可反可透膜，通过不同的可反可透膜调整光线透射与反射比例，例如，可反可透镜可以是半反半透镜。

本发明各实施例头戴式显示装置，均可通过头戴伸缩带、支撑架、头盔支架、帽子等方式进行连接固定后佩戴在使用者头部，图1和图2中示出了该发明实施例头戴式显示装置的头戴伸缩带9。

本发明各实施例头戴式显示装置，根据安装固定各光学系统元器件的需要，壳体内部可依具体情况设计多种支撑固定结构，用于对光学元件进行安装固定，构成对应的光学系统，在此不作限制，同时壳体的形状也可以根据需要进行设计和调整，只需满足容纳和固定本发明实施例头戴式显示装置的光学元器件的要求。

再次声明，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。本发明可以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 (10)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置包括：壳体以及安装于所述壳体内的一组光学系统；其中，

所述光学系统包括图像显示屏、光学放大透镜组和可反可透镜，所述图像显示屏位于所述光学放大透镜组上方，所述可反可透镜位于所述光学放大透镜组下方；

所述光学系统的光路为：所述图像显示屏发出的图像光信息经所述光学放大透镜组透射后被所述可反可透镜反射至人眼；以及所述头戴式显示装置外部的环境光信息通过所述可反可透镜透射至人眼。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括用于获取所述头戴式显示装置外部图像的图像采集模块，所述图像采集模块包括一个或多个摄像头。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述图像采集模块包括用于获取所述头戴式显示装置外部深度图像的景深摄像头。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括用于通过检测人眼眼球运动状态确定人眼视线信息的视线跟踪模块，所述视线跟踪模块包括采集人眼图像的摄像头。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括像素遮蔽层，所述像素遮蔽层位于所述可反可透镜远离人眼一侧，用于根据所述图像显示屏显示的图像内容在所述可反可透镜中的投影位置，调节像素遮蔽层对应区域的透光率。

6.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括交互控制模块，所述交互控制模块包括如下之一或组合：

手势交互单元，用于与所述图像采集模块连接，根据所述图像采集模块获取的手势图像，识别确定手势交互指令；

眼动交互单元，用于与所述视线跟踪模块连接，根据所述视线跟踪模块获取的人眼眼球运动状态，识别确定眼动交互指令；

体感交互单元，用于通过传感器采集人体肢体动作信息，根据获取的所述肢体动作信息，识别确定体感交互指令；

语音交互单元，用于通过麦克风采集语音信息，根据获取的所述语音信息，识别确定语音交互指令。

7.根据权利要求6所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块通过电路与所述图像显示屏、图像采集模块、视线跟踪模块和交互控制模块连接，通过内置或外接电源为所述头戴式显示装置供电。

8.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光学放大透镜组由一个或多个菲涅尔透镜组成，或者由一个或多个球面透镜和/或非球面透镜组成，或者由一个或多个菲涅尔透镜及球面透镜和/或非球面透镜组成。

9.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述图像显示屏对图像内容进行分屏显示。

10.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括与所述壳体连接的头戴伸缩带或支撑架。