CN111338085B - 显示光学系统、头戴显示设备、控制方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种显示光学系统、头戴显示设备、控制方法和存储介质。显示光学系统包括显示组件、照明组件、耦合组件和成像组件，显示组件用于投射第一影像光；照明组件用于投射第一照明光；耦合组件用于耦合第一影像光、第一照明光和入射至耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于显示光学系统外的目标物体；成像组件用于根据被目标物体反射的光线形成目标图像。如此，显示光学系统既能够射出光线以实现显示的功能，又能够根据反射的光线成像，功能较为丰富。

Description

显示光学系统、头戴显示设备、控制方法和存储介质

技术领域

本申请涉及头戴显示设备技术领域，更具体而言，涉及一种显示光学系统、头戴显示设备、控制方法和存储介质。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)眼镜是一种应用增强现实技术的可穿戴设备，人们佩戴AR眼镜，既可以看到真实环境的画面，也能看到叠加于真实环境的虚拟图像。然而，AR眼镜通常只具备显示的功能，AR眼镜的功能较为单一。

发明内容

本申请实施方式提供一种显示光学系统、头戴显示设备、控制方法和存储介质。

本申请实施方式的显示光学系统包括显示组件、照明组件、耦合组件和成像组件。显示组件用于投射第一影像光；照明组件用于投射第一照明光；耦合组件用于耦合所述第一影像光、所述第一照明光和入射至所述耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；成像组件用于根据被所述目标物体反射的光线形成目标图像。

本申请实施方式的头戴显示设备包括主体及上述的显示光学系统，所述显示光学系统设置于所述主体内。

本申请实施方式的控制方法，用于头戴显示设备，所述头戴显示设备包括主体和显示光学系统，所述显示光学系统设置于所述主体内，所述显示光学系统包括显示组件、照明组件、耦合组件和成像组件，所述显示组件用于投射第一影像光；所述照明组件用于投射第一照明光；所述耦合组件用于耦合所述第一影像光、所述第一照明光和入射至所述耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；

所述控制方法包括：

获取拍摄指令；

根据所述拍摄指令控制所述成像组件根据被所述目标物体反射的光线形成目标图像。

本申请实施方式的头戴显示设备包括主体、显示光学系统和处理器，所述显示光学系统设置于所述主体内，所述显示光学系统包括显示组件、照明组件、耦合组件和成像组件，所述显示组件用于投射第一影像光；所述照明组件用于投射第一照明光；所述耦合组件用于耦合所述第一影像光、所述第一照明光和入射至所述耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；所述处理器用于执行上述的控制方法。

一种包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行上述的控制方法。

本申请实施方式的显示光学系统、头戴显示设备、控制方法和存储介质，通过耦合组件耦合显示组件投射的第一影像光、照明组件投射的第一照明光和入射至显示光学系统的环境光，并将耦合后的光线导向位于显示光学系统外的目标物体，并通过成像组件根据目标物体反射的光线形成目标图像，使得显示光学系统既能够射出光线以实现显示的功能，又能够根据反射的光线成像，功能较为丰富。而且，由于第一影像光、第一照明光和环境光被耦合组件耦合，可以保证三种光线均射向目标物体，有利于提高显示效果和照明效果。

本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请某些实施方式的头戴显示设备的结构示意图；

图2是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图3是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图4是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图5是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图6是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图7是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图8是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图9是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图10是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图11是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图12是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图13是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图14是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图15是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图16是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图17是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图18是本申请某些实施方式的显示光学系统的光学结构的结构示意图；

图19是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图20是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图21是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图22是本申请某些实施方式的控制方法的流程示意图；

图23是本申请某些实施方式的显示光学系统的结构示意图；

图24是本申请某些实施方式的控制方法的流程示意图；

图25是本申请某些实施方式的控制方法的流程示意图；

图26是本申请某些实施方式的控制方法的流程示意图；

图27是本申请某些实施方式的控制方法的流程示意图；

图28是本申请某些实施方式的控制方法的标识位置的示意图；

图29是本申请某些实施方式的控制方法的标识位置的示意图；

图30是本申请某些实施方式的控制方法的标识位置的示意图；

图31是本申请某些实施方式的控制方法的标识位置的示意图；

图32是本申请某些实施方式的控制方法的标识位置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本申请的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本申请实施方式的头戴显示设备1000包括主体200及显示光学系统100，其中显示光学系统100设置于所述主体200内，主体200可以对显示光学系统100起到保护及提供安装空间的作用。其中，头戴显示设备1000可以是AR设备。本申请实施方式中以头戴显示设备1000为AR设备为例进行描述，可以理解，头戴显示设备1000可以是其它。

请参阅图2，本申请实施方式的显示光学系统100包括显示组件10、照明组件70、耦合组件80和成像组件90。

显示组件10用于投射第一影像光L11；照明组件70用于投射第一照明光L71；耦合组件80用于耦合第一影像光L11、第一照明光L71和入射至耦合组件80的环境光L31，并将耦合后的光线导向位于显示光学系统100外的目标物体300；成像组件90用于根据被目标物体300反射的光线形成目标图像。

本申请实施方式的显示光学系统100及头戴显示设备1000中，通过耦合组件80耦合由显示组件10投射的第一影像光L11、照明组件70投射的第一照明光L71和入射至显示光学系统100的环境光L31，并将耦合后的光线导向位于显示光学系统100外的目标物体300，并通过成像组件90根据目标物体300反射的光线形成目标图像，使得显示光学系统100既能够射出光线以实现显示的功能，又能够根据反射的光线成像，功能较为丰富。而且，由于第一影像光L11、第一照明光L71和环境光L31被耦合组件耦合，可以保证三种光线均射向目标物体300，有利于提高显示效果和照明效果。

具体地，显示光学系统100可以是光机，用于将虚拟影像及真实的环境影像投射至用户的眼睛中。本实施方式中的第一影像光L11经过显示光学系统100射出后形成虚拟影像，本实施方式中的环境光L31经过显示光学系统100射出后形成环境影像，本实施方式中的目标物体可为用户的眼睛，目标图像可为用户的眼底图像。进一步地，虚拟影像可以是文字、图像、视频或其他数据内容，在此不做限制。

请参阅图3，在本实施方式中，显示组件10可包括显示器11和显示镜组12。

显示器11用于向显示镜组12投射初始影像光，经过显示光学系统100射出后在目标物体前形成虚拟影像。如此，可以实现增强显示。具体地，显示器11可以是OLED型、LED型、Micro LED型、LCOS型及LCD型等微型显示器11，在此不做限制。初始影像光可以是偏振光也可以是非偏振光，在此不做限制。

显示镜组12用于对显示器11投射的初始影像光进行校正以形成第一影像光L11，并将第一影像光L11投射至耦合组件80。如此，可以提高虚拟影像的显示质量。具体地，显示镜组12可用于校正显示光路的球差和慧差等像差。显示镜组12可由一片或多片光学镜片组成。可以理解，在其他的实施方式中，也可不设置显示镜组12。

在本实施方式中，照明组件70包括照明光源71和照明镜组72。

照明光源71用于向照明镜组72投射初始照明光，经过显示光学系统100射出至目标物体，经目标物体反射再次进入显示光学系统100，从而进入成像组件90，使得成像组件90形成目标图像。如此，通过照明光源71，照亮目标物体，从而使得成像组件90能够拍摄目标物体的目标图像。

具体地，照明光源71可包括LED、半导体激光器或其他类型的光源，在此不做限制。在照明光源71为半导体激光器的情况下，可通过调节半导体激光器的总功率以优化照明的均匀性并保护人眼的安全。

照明光源71向投射的初始照明光可为红外波长。如此，可以避免初始照明光受到环境光L31和显示组件10投射的第一影像光L11的影响，使得成像组件90拍摄的目标图像质量更高，从而使得对用户的眼睛的观察效果更好。可以理解，照明光源71选用的波长不同，对眼底的观察效果也会不同，在实际的应用中，可根据显示光学系统100的核心用途选用对应波长的照明光源71。

照明镜组72用于对初始照明光进行准直和整形以形成第一照明光L71。如此，可实现对眼底的均匀照明，并防止光源过强对眼睛造成损伤。照明镜组72可包括一片或多片光学镜片。可以理解，在其他的实施方式中，也可不设置照明镜组72。

请参阅图4和图5，在本实施方式中，耦合组件80包括分光件81和光学结构82，分光件81设置在显示组件10、照明组件70和成像组件90之间；分光件81用于接收第一影像光L11和第一照明光L71并形成出射至光学结构82的第一投射光L81；光学结构82用于将第一投射光L81和环境光L31导向目标物体300；光学结构82设置在分光件81的一侧，光学结构82用于接收目标物体300反射的光线并形成出射至分光件81的第一图像光L91；分光件81用于接收第一图像光L91并形成出射至成像组件90的第二图像光L92；成像组件90用于根据第二图像光L92形成目标图像。

如此，通过分光件81实现了第一影像光L11和第一照明光L71的耦合，通过光学结构82实现了第一投射光L81和环境光L31的耦合，从而实现了第一影像光L11、第一照明光L71和环境光L31的耦合。这样，通过分光件81和光学结构82耦合多个光路，使得后续可以对耦合后的光线进行统一的处理，使得导光的效率更高。

同时，通过光学结构82和分光件81，将目标物体300反射的光线导向成像组件90，以使成像组件90拍摄目标图像，可以实现导光组件80的复用，无需另外设置导光组件以将目标物体300反射的光线导向成像组件90，有利于显示光学系统100结构的紧凑和成本的降低。

具体地，请参阅图6和图7，分光件81包括第一分光件811和第二分光件812，第一分光件811设置在照明组件70、成像组件90和第二分光件812之间，第一分光件811用于透射第一照明光L71以形成出射至第二分光件812的第二照明光L72；第二分光件812设置在第一分光件811、显示组件10和光学结构82之间，第二分光件812用于透射第二照明光L72并反射第一影像光L11以形成第一投射光L81；第二分光件812用于透射第一图像光L91以形成出射至第一分光件811的第三图像光L93，第一分光件811用于反射第三图像光L93以形成第二图像光L92。

如此，通过第一分光件811和第二分光件812的透射和反射，实现第一投射光L81和环境光L31的耦合，并实现将第一图像光L91的导向，结构简单，耦合和导向的效果较好。

进一步地，第一分光件811包括部分反射部分透射膜；且，第二分光件812包括部分反射部分透射膜。如此，使得第一分光件811同时具备透射和反射的功能，并使得第二分光件812同时具备透射和反射的功能，可以保证第一分光件811和第二分光件812对光线的耦合和导向。而且，由于透射和反射的功能集成于同一元件，无需设置额外的元件以实现多个功能，可以减少显示光学系统100的元件的数量，并有利于显示光学系统100结构的紧凑和成本的降低。

更进一步地，在本实施方式中，由部分反射部分透射膜反射的光线与透射的光线可均为入射光线的一半，即部分反射部分透射膜可为半反半透膜。

可以理解，半反半透膜可以透过一半入射光线，并反射一半入射光线。因此，在第一照明光L71入射至第一分光件811时，会形成自第一分光件811透射的第二照明光L72和自第一分光件811反射的光线，该自第一分光件811反射的光线损失了，并未入射至第二分光件812，故在图6中未标示出来。

而第二照明光L72入射至第二分光件812时，会形成自第二分光件812透射的光线和自第二分光件812反射的光线，该自第二分光件812透射的光线用于形成第一投射光L81，该自第二分光件812反射的光线损失了，并未入射至光学结构82，故在图6中未标示出来。

类似地，第一影像光L11入射至第二分光件812时，会形成自第二分光件812反射的光线和自第二分光件812透射的光线，该自第二分光件8121反射的光线用于形成第一投射光L81，该自第二分光件812透射的光线损失了，并未入射至光学结构82，故在图6中未标示出来。

类似地，第一图像光L91入射至第二分光件812时，会形成自第二分光件812反射的光线和自第二分光件811透射的第三图像光L93。该自第二分光件812反射的光线损失了，并未入射至第一分光件811，故在图7中未标示出来。第三图像光L93入射至第一分光件811时，会形成自第一分光件811反射的第二图像光L92和自第一分光件811透射的光线。第二图像光L92进入成像组件90用于成像。该自第一分光件811透射的光线损失了，并未入射至成像组件90，故在图7中未标示出来。

可以理解，在其他的实施方式中，由部分反射部分透射膜反射的光线可为入射光线的30％，由部分反射部分透射膜透射的光线可为入射光线的70％；或，由部分反射部分透射膜反射的光线可为入射光线的40％，由部分反射部分透射膜透射的光线可为入射光线的60％；由部分反射部分透射膜反射的光线可为入射光线的70％，由部分反射部分透射膜透射的光线可为入射光线的30％。在此不进行限定。

进一步地，第一分光件811可用于允许第一照明光L71透射并阻止第一照明光L71反射。如此，第一照明光L71自第一分光件811透射，无法自第一分光件811反射，可以减小第一照明光L71的损耗，有利于提高照明效果，从而提高目标图像的成像质量。更进一步地，可在第一分光件811上镀第一膜层，以使第一分光件811允许第一照明光L71透射并阻止第一照明光L71反射。

进一步地，第一分光件811可用于允许第三图像光L93反射，并阻止第三图像光L93透射。如此，第三图像光L93自第一分光件811反射，无法自第一分光件811透射，可以减小第三图像光L93的损耗，有利于提高目标图像的成像质量。更进一步地，可在第一分光件811上镀第二膜层，以使第一分光件811允许第三图像光L93反射并阻止第三图像光L93透射。

进一步地，第二分光件812可用于允许第一影像光L11的反射并阻止第一影像光L11透射。如此，第一影像光L11自第二分光件812反射，无法自第二分光件812透射，可以减小第一影像光L11的损耗，有利于提高显示效果。更进一步地，可在第二分光件812上镀第三膜层，以使第二分光件812允许第一影像光L11的反射并阻止第一影像光L11透射。

进一步地，第二分光件812可用于允许第一图像光L91的透射并阻止第一图像光L91反射。如此，第一图像光L91自第二分光件812透射，无法自第二分光件812反射，可以减小第一图像光L91的损耗，有利于提高目标图像的成像效果。更进一步地，可在第二分光件812上镀第四膜层，以使第二分光件812允许第一图像光L91的透射并阻止第一图像光L91反射。

进一步地，在第一照明光L71和第一图像光L91的波长相同，可均为红外光等不可见光。第一影像光L11可为可见光。可在第二分光件812上镀第五膜层，以使第二分光件812透射不可见光并反射可见光。如此，可以提高显示效果和成像质量。可以理解，由于第一照明光L71和第一图像光L91均为不可见光，用户不会观察到，从而不会影响用户观察可见的影像光。另外，由于第二分光件812透射不可见光并反射可见光，使得第一照明光L71可自第二分光件812透射，从而照明目标物体300；并且，使得第一图像光L91中的可见光部分无法进入成像组件L92，从而无法干扰到目标图像的成像。在本实施方式中，第一分光件811和第二分光件812所成的角度为90°。如此，使得经过第一分光件811和第二分光件812的光线的方向较为规律，便于设置显示组件10、照明组件70和成像组件90的位置。

进一步地，分光件80可包括直角棱镜，直角棱镜的第一直角面形成有第一分光件811，直角棱镜的第二直角面形成有第二分光件812。如此，可以使得第一分光件811和第二分光件812一体化并且位置相对固定，有利于减少元件数量并提高组装效率。例如，直角棱镜的第一直角面和第二直角面均镀有部分反射部分透射膜。

更进一步地，直角棱镜可用于阻止第一影像光L11透射。例如，直角棱镜可由锗等透射红外光线而不透射可见光的材料制成。如此，可以避免显示组件10发出的第一影像光L11由于在直角棱镜发生透射而损失，有利于提高显示效果。

可以理解，在其他的实施方式中，可以是第一分光件811包括部分反射部分透射膜；或，第二分光件812包括部分反射部分透射膜。

在其他的实施方式中，第一分光件811和第二分光件812可以相互独立。例如，在第一镜体上镀部分反射部分透射膜以形成第一分光件811，在第二镜体上镀部分反射部分透射膜以形成第二分光件812。

在其他的实施方式中，第一分光件811和第二分光件812所成的角度可以为90°、60°、30°、120°或其他角度值。

在此不对第一分光件811和第二分光件812的具体形式、相互关系进行限定。

请注意，显示组件10、照明组件70和成像组件90的位置，并不局限于图6和图7中的示例，可以互换。以下提供5个实施方式对此进行说明。

请参阅图8和图9，在第一个实施方式中，分光件81包括第一分光件811和第二分光件812，第一分光件811设置在照明组件70、成像组件90和第二分光件812之间，第一分光件811用于反射第一照明光L71以形成出射至第二分光件812的第三照明光L73；第二分光件812设置在第一分光件811、显示组件10和光学结构82之间，第二分光件812用于透射第三照明光L73并反射第一影像光L11以形成第一投射光L81；第二分光件812用于透射第一图像光L91以形成出射至第一分光件811的第三图像光L93，第一分光件811用于透射第三图像光L93以形成第二图像光L92。

如此，显示组件10出射的第一图像光L91仅经过第二分光件812即入射至光学结构82，损失较小，可以使得在目标物体前形成的虚拟影像的质量更高。

请参阅图10和图11，在第二个实施方式中，分光件81包括第一分光件811和第二分光件812，第一分光件811设置在显示组件10、成像组件90和第二分光件812之间，第一分光件811用于透射第一影像光L11以形成出射至第二分光件812的第二影像光L12；第二分光件812设置在第一分光件811、照明组件70和光学结构82之间，第二分光件812用于透射第二影像光L12并反射第一照明光L71以形成第一投射光L81；第二分光件812用于透射第一图像光L91以形成出射至第一分光件811的第三图像光L93，第一分光件811用于反射第三图像光L93以形成第二图像光L92。

如此，照明组件10出射的第一照明光L71仅经过第二分光件812即入射至光学结构82，损失较小，可以使得对目标物体的照明效果更好。

请参阅图12和图13，在第三个实施方式中，分光件81包括第一分光件811和第二分光件812，第一分光件811设置在显示组件10、成像组件90和第二分光件812之间，第一分光件811反射第一影像光L11以形成出射至第二分光件812的第三影像光L13；第二分光件812设置在第一分光件811、照明组件70和光学结构82之间，第二分光件812用于透射第三影像光L13并反射第一照明光L71以形成第一投射光L81；第二分光件812用于透射第一图像光L91以形成入射至第一分光件811的第三图像光L93，第一分光件811用于透射第三图像光L93以形成第二图像光L92。

如此，照明组件10出射的第一照明光L71仅经过第二分光件812即入射至光学结构82，损失较小，可以使得对目标物体的照明效果更好。

请参阅图14和图15，在第四个实施方式中，分光件81包括第一分光件811和第二分光件812，第一分光件811设置在照明组件70、显示组件10和第二分光件812之间，第一分光件811用于透射第一照明光L71并反射第一影像光L11以形成出射至第二分光件812的第二投射光L82；第二分光件812设置在第一分光件811、成像元件和光学结构82之间，第二分光件812用于透射第二投射光L82以形成第一投射光L81；第二分光件812用于反射第一图像光L91以形成第二图像光L92。

如此，光学结构82出射的第一图像光L91仅经过第二分光件812即入射至成像组件90，损失较小，可以使得目标图像的成像效果更好。

请参阅图16和图17，在第五个实施方式中，分光件81包括第一分光件811和第二分光件812，第一分光件811设置在显示组件10、照明组件70和第二分光件812之间，第一分光件811用于反射第一照明光L71并透射第一影像光L11以形成出射至第二分光件812的第二投射光L82；第二分光件812设置在第一分光件811、成像组件90和光学结构82之间，第二分光件812用于透射第二投射光L82以形成第一投射光L81；第二分光件812用于反射第一图像光L91以形成第二图像光L92。

如此，光学结构82出射的第一图像光L91仅经过第二分光件812即入射至成像组件90，损失较小，可以使得目标图像的成像效果更好。

以上5个实施方式其他的解释和说明可参照关于图6和图7中的示例的解释和说明，为避免冗余，在此不再赘述。另外，可以理解的是，以上的5个实施方式仅为示例，也不代表对显示组件10、照明组件70和成像组件90的位置的限制。

请参阅图18，在本实施方式中，光学结构82包括第一光学结构821、第二光学结构822和第三光学结构823。

第一光学结构821用于校正第一投射光L81，并将校正后的第一投射光L81投向第二光学结构822。可以理解，第一光学结构821也可省略，在第一光学结构821省略的情况下，第一光学结构821的功能可由前述的显示镜组12、照明镜组72和成像镜组91中的至少一个执行。

第二光学结构822可包括偏振分光件，偏振分光件用于将由第一投射光L81转换成的第一投射偏振光L811反射至第三光学结构823，第三光学结构823用于将第一投射偏振光L811和入射至第三光学结构823的环境光L31转化为第二投射偏振光L812并将第二投射偏振光L812射向第二光学结构822，第二光学结构822用于透射第二投射偏振光L812并将第二投射偏振光L812导向目标物体300。

换言之，第二光学结构822允许第二投射偏振光L812穿过，并阻止第一投射偏振光L811穿过。第三光学结构823阻止第二投射偏振光L812穿过。

如此，可以避免第一投射偏振光L811自第二光学结构822和第三光学结构823直接射出，从而避免光线无法射向用户的眼睛并避免光线被用户以外的人观测到，有利于提高显示光学系统100的安全性和隐私性。

第三光学结构823可包括依次设置的第一四分之一波片、部分反射部分透射膜、第二四分之一波片和偏振膜。

第三光学结构823对第一投射偏振光L811的处理如下：第一投射偏振光L811经过第一四分之一波片转化为第三投射偏振光，第三投射偏振光经过部分反射部分透射膜形成反射至第一四份之一波片的第四投射偏振光和透射至第二四分之一波片的第五投射偏振光，第四投射偏振光经过第一四份之一波片形成自第三光学结构823出射的第六投射偏振光，第五投射偏振光经过第二四分之一波片形成第七投射偏振光，第七投射偏振光射向偏振膜，并被偏振膜吸收，而无法第三光学结构823自射出。

第三光学结构823对环境光L31的处理如下：环境光L31可自第三光学结构823入射至光学结构82。环境光L31经过偏振膜形成第一环境偏振光；第一环境偏振光经过第二四分之一波片形成第二环境偏振光；第二环境偏振光经过部分反射部分透射膜形成反射至第二四分之一波片的第三环境偏振光，和，透射至第一四分之一波片的第四环境偏振光；第三环境偏振光经过第二四分之一波片形成第五环境偏振光；第五环境偏振光射向偏振膜，并被偏振膜吸收，而无法第三光学结构823自射出；第四环境偏振光经过第一四分之一波片形成自第三光学结构823出射的第六环境偏振光。

可以理解，第二投射偏振光L812包括上述的第七投射偏振光和上述的第六环境偏振光。

请注意，目标物体300反射的光线经光学结构82形成第一图像光L91的过程，与第一投射光L81经光学结构82出射的过程类似，为避免冗余，在此不再赘述。

请参阅图19、图20和图21，在其他的实施方式中，耦合组件80包括光学结构82，显示组件10、照明组件70和成像组件90在光学结构82的一侧并列设置，光学结构82用于将入射至光学结构82的第一影像光L11、第一照明光L71和环境光L31耦合并将耦合后的光线导向位于显示光学系统100外的目标物体300；光学结构82用于接收目标物体300反射的光线并形成出射至成像组件90的第三图像光，成像组件90用于根据第三图像光成像。

如此，第一影像光L11、第一照明光L71和环境光L31，直接入射至光学结构82，无需经过分光件81，光线损耗更小，虚拟影像的效果更好，照明光源71的利用效率更高。可以理解，第一照明光L71也可不经过耦合组件80直接射向目标物体300。如此，可以进一步减少第一照明光L71的损耗。目标物体300反射的光线也可不经过耦合组件80而直接射向成像组件90。在此不进行限定。

具体地，在图19的示例中，显示组件10设置在照明组件70和成像组件90之间。如此，拉大照明组件70和成像组件90之间的距离，避免照明组件70出射的光线未经目标物体的反射而进入成像组件90，有利于提高目标图像的质量。

可以理解，在其他的一些示例中，照明组件70可设置在显示组件10和成像组件90之间。在其他的另一些示例中，成像组件90可设置在照明组件70和显示组件10之间。在此不对显示组件10、照明组件70和成像组件90的具体排布进行限定。

在本实施方式中，成像组件90包括成像镜组91和图像传感器92。成像镜组91用于接收入射的第二图像光L92，对第二图像光L92进行校正和对焦，并将处理后的光线导向图像传感器92。图像传感器92用于根据自成像镜组91投射的光线形成目标图像。如此，使得目标图像的质量更高。具体地，图像传感器92可为CMOS面阵传感器或CCD面阵传感器。在此不对图像传感器92的具体形式进行限定。可以理解，在其他的实施方式中，也可不设置成像镜组91。

本申请实施方式的控制方法，用于头戴显示设备1000，头戴显示设备1000包括主体和显示光学系统100，显示光学系统100设置于主体内，显示光学系统100包括显示组件10、照明组件70、耦合组件80和成像组件90，显示组件10用于投射第一影像光L11；照明组件70用于投射第一照明光L71；耦合组件80用于耦合第一影像光L11、第一照明光L71和入射至耦合组件80的环境光L31，并将耦合后的光线导向位于显示光学系统100外的目标物体300；

请参阅图22，控制方法包括：

步骤S11：获取拍摄指令；

步骤S12：根据拍摄指令控制成像组件90根据被目标物体300反射的光线形成目标图像。

请参阅图23，本申请实施方式的头戴显示设备1000还可包括处理器101，处理器101用于获取拍摄指令；根据拍摄指令控制成像组件90根据被目标物体300反射的光线形成目标图像。

本申请实施方式的控制方法，通过耦合组件80将由显示组件10投射的第一影像光L11、照明组件70投射的第一照明光L71和入射至显示光学系统100的环境光L31导向位于显示光学系统100外的目标物体300，并通过成像组件90根据目标物体300反射的光线形成目标图像，使得头戴显示设备1000既能够射出光线以实现显示的功能，又能够根据反射的光线成像，功能较为丰富。而且，由于第一影像光L11、第一照明光L71和环境光L31被耦合组件耦合，可以保证三种光线均射向目标物体300，有利于提高显示效果和照明效果。

具体地，拍摄指令可由用户触发，也可由头戴显示设备1000自行触发。在此不进行限定。

请参阅图24，在某些实施方式中，控制方法包括：

步骤S13：根据目标图像确定目标物体300的健康信息。

在某些实施方式中，处理器101用于根据目标图像确定目标物体300的健康信息。

如此，使得用户可通过头戴显示设备1000获取健康信息，无需通过其他大型设备拍摄目标图像以获取健康信息，较为方便。如前所述，本实施方式中，目标物体300是用户的眼睛，目标图像是眼底图像。

具体地，可根据目标图像确定目标物体300的生理结构的信息，从而确定健康信息。生理结构的信息包括眼底血管分布图、视盘状态、视网膜的状态和黄斑部的大小中的至少一个。

可以理解，眼底含有视神经、视网膜、视网膜动静脉血管、黄斑等重要的生理结构，除了眼底组织的自身病变外，许多全身性疾病也会通过眼底反映出来。例如，高血压、肾病、糖尿病、部分血液病和某些中枢神经系统疾病等均会引发眼底病变。这样，就可以通过眼底的生理结构，从组织结构、形态、血管变化等方面发现疾病的早期症状和严重程度，从而生成健康信息。

进一步地，可根据健康信息确定提示信息，并控制头戴显示设备1000输出提示信息。具体地，提示信息包括饮食调整信息、运动调整信息等。如此，可以基于健康信息为用户提供饮食和运动的建议，从而帮助用户调整健康状态。另外，提示信息可通过显示提示、语音提示，在此不对提示的具体方式进行限定。

在一个例子中，根据目标图像确定眼底血管有轻度的动脉硬化，可确定全身血管也有轻度的硬化状态，从而确定健康信息为：全身血管轻度硬化。此时，可以通过头戴显示设备1000的显示功能提醒用户进行饮食调整，并适当运动，以减轻或消除全身血管轻度硬化的状态。同时，也可以通过头戴显示设备1000的运动记录功能，或其他与头戴显示设备1000通信的设备，来与用户进行运动规划、运动时间提醒、运动完成量记录、运动效果总结等互动。

在另一个例子中，根据目标图像发现视盘水肿，而视盘水肿通常由颅内、眼内、眶内，以及某些全身性疾病引起，可基于此确定健康信息。另外，可以通过提示信息提示用户及时进行更专业的医学检查和治疗。此外，还可以根据目标图像观察和分析视盘的形状、色泽、大小、边界是否清楚，生理凹陷是否扩大加深，有无出血、渗出、充血，视盘上的动静脉有无搏动、血管行径等，并根据这些信息得出进一步的健康信息。

在又一个例子中，可根据目标图像分析视网膜血管的如下内容以得到健康信息：血管的粗、细、行径、管壁反光、分支角度及动、静脉交叉处有无压迫或拱桥现象改变、血管有无阻塞、新生血管及血管壁有无白鞘等。可以理解，视网膜血管作为人体中唯一用肉眼可直接观察的血管，可以通过它了解其他脏器血管的情况。

在再一个例子中，可根据目标图像，确定黄斑部的大小、中心凹反射是否存在，有无水肿、出血、渗出、色素紊乱及黄斑裂孔等，以得到健康信息。

在另一个例子中，可根据目标图像，确定视网膜有无水肿、渗出、出血、脱离及色素斑、有无新生血管及肿瘤等，以得到健康信息。

在此不对根据目标图像确定健康信息的具体方式进行限定。

请参阅图25，在某些实施方式中，控制方法包括：

步骤S14：根据目标图像确定头戴显示设备1000的控制指令；

步骤S15：根据控制指令控制头戴显示设备1000运行。

在某些实施方式中，处理器101用于根据目标图像确定头戴显示设备1000的控制指令；根据控制指令控制头戴显示设备1000运行。

如此，通过目标图像控制头戴显示设备1000运行，使得用户无需动手或动嘴，用眼睛即可实现对头戴显示设备1000的控制，更加方便，保密性也更强。具体地，控制指令可以是控制音量增减的指令、控制亮度强弱的指令、选中选项的指令。在此不对控制指令的具体形式进行限定。

请参阅图26，在某些实施方式中，步骤S14包括：

步骤S141：根据目标图像确定目标物体300对头戴显示设备1000的关注位置；

步骤S142：根据关注位置确定控制指令。

在某些实施方式中，处理器101用于根据目标图像确定目标物体300对头戴显示设备1000的关注位置；根据关注位置确定控制指令。

如此，通过对头戴显示设备1000的关注位置来实现控制指令的确定，符合用户使用眼睛进行控制的习惯，可以提高控制指令的确定效率和准确率。

在本实施方式中，头戴显示设备1000可在目标物体的前方投射虚拟影像，处理器101可根据目标物体300对虚拟影像的关注位置，确定控制指令。例如，虚拟影像包括多个选项卡，处理器101可确定关注位置对应的选项卡，并将该选项卡对应的指令作为控制指令。如此，使得用户可基于虚拟影像与头戴显示设备1000互动。

另外，可以理解，在连续拍摄多帧目标图像时，可根据多帧目标图像确定目标物体300的关注位置的变化，从而确定目标物体300的转动方向和转动角度。这样，除了关注位置之外，还可以通过关注位置的变化，也即是用户视线的变化，确定控制指令。

请参阅图27，在某些实施方式中，目标物体300包括预设标识，步骤S141包括：

步骤S1411：根据目标图像确定标识位置，标识位置为预设标识在目标图像中的位置；

步骤S1412：根据标识位置确定目标物体300的关注位置。

在某些实施方式中，处理器101用于根据目标图像确定标识位置，标识位置为预设标识在目标图像中的位置；根据标识位置确定目标物体300的关注位置。

如此，通过预设标识在目标图像中的位置，确定目标物体的关注位置，可以提高关注位置的准确性。在本实施方式中，预设标识为视盘。可以理解，在其他的实施方式中，预设标识也可为黄斑或其他眼底的生理结构。

可以理解，关注位置不同，眼睛的注视方向不同。而随着眼睛的转动，视盘在图像上的位置，也即是标识位置，可能偏上，也可能偏下。因此，可以预先标定关注位置与标识位置，以得到对应关系，后续根据标识位置和对应关系得到关注位置。接下来以左眼为例进行说明。

请参阅图28，在一个例子中，视盘在目标图像P1中位于第一位置P11，可确定标识位置为第一位置P11，从而确定眼睛直视前方，进而确定目标物体的关注位置。

请参阅图29，在另一个例子中，视盘在目标图像P2中位于第二位置P21，可确定标识位置为第二位置P21，从而确定眼睛向上看，进而确定目标物体的关注位置。

请参阅图30，在又一个例子中，视盘在目标图像P3中位于第三位置P31，可确定标识位置为第三位置P31，从而确定眼睛向下看，进而确定目标物体的关注位置。

请参阅图31，在再一个例子中，视盘在目标图像P4中位于第四位置P41，可确定标识位置为第四位置P41，从而确定眼睛向中间看，进而确定目标物体的关注位置。

请参阅图32，在再一个例子中，视盘在目标图像P4中位于第五位置P51，可确定标识位置为第五位置P51，从而确定眼睛向外侧看，进而确定目标物体的关注位置。

请注意，以上对于目标图像的处理，可以在头戴显示设备1000本地进行，头戴显示设备1000可存储目标图像以及处理结果，并将处理结果发送至显示组件11显示。

头戴显示设备1000也可通过将目标图像发送至头戴显示设备1000外的外部处理器，以使外部处理器处理目标图像，并获取外部处理器发送的处理结果。头戴显示设备1000与外部处理器可通过蓝牙、5G等方式进行无线通信，或进行有线通信。外部处理器例如为服务器、头戴显示设备1000外接的计算盒子等。

在此不对处理目标图像的具体方式进行限定。

一种包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当计算机可执行指令被一个或多个处理器101执行时，使得处理器101执行上述任一实施方式的控制方法。

例如执行：步骤S11：获取拍摄指令；步骤S12：根据拍摄指令控制成像组件90根据被目标物体300反射的光线形成目标图像。

本申请实施方式的控制方法，通过耦合组件80将由显示组件10投射的第一影像光L11、照明组件70投射的第一照明光L71和入射至显示光学系统100的环境光L31导向位于显示光学系统100外的目标物体300，并通过成像组件90根据目标物体300反射的光线形成目标图像，使得头戴显示设备1000既能够射出光线以实现显示的功能，又能够根据反射的光线成像，功能较为丰富。而且，由于第一影像光L11、第一照明光L71和环境光L31被耦合组件耦合，可以保证三种光线均射向目标物体300，有利于提高显示效果和照明效果。

综合以上，本申请实施方式头戴显示设备1000和控制方法，将眼球追踪功能和眼底成像功能有机结合，丰富了头戴显示设备1000的功能。通过眼球追踪功能可以实现头戴显示设备1000的部分交互功能。通过眼底成像，可以获取眼底的生理结构的相关信息与正常人眼信息进行比对以得到健康信息，从而实现疾病的预防和检查，评估人体的健康程度。另外，还可根据健康信息，为用户提供饮食、运动等方面的生活规划，提高生活质量。此外，对于糖尿病、高血压和动脉硬化等疾病的患者，可以通过头戴显示设备1000，在日常生活中长期观察眼底健康状态，从而了解所患疾病的发展情况。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (17)

1.一种显示光学系统，其特征在于，所述显示光学系统包括：

显示组件，用于投射第一影像光；

照明组件，用于投射第一照明光；

耦合组件，用于耦合所述第一影像光、所述第一照明光和入射至所述耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；

成像组件，用于根据被所述目标物体反射的光线形成目标图像；

所述耦合组件包括分光件和光学结构，所述分光件设置在所述显示组件、所述照明组件和所述成像组件之间；所述分光件用于接收所述第一影像光和所述第一照明光并形成出射至所述光学结构的第一投射光；所述光学结构用于将所述第一投射光和所述环境光导向所述目标物体；

所述光学结构设置在所述分光件的一侧，所述光学结构用于接收所述目标物体反射的光线并形成出射至所述分光件的第一图像光；所述分光件用于接收所述第一图像光并形成出射至所述成像组件的第二图像光；所述成像组件用于根据所述第二图像光形成所述目标图像；

所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述照明组件、所述成像组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于透射所述第一照明光以形成出射至所述第二分光件的第二照明光；

所述第二分光件设置在所述第一分光件、所述显示组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第二照明光并反射所述第一影像光以形成所述第一投射光；

所述第二分光件用于透射所述第一图像光以形成出射至所述第一分光件的第三图像光，所述第一分光件用于反射所述第三图像光以形成所述第二图像光。

2.根据权利要求1所述的显示光学系统，其特征在于，所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述照明组件、成像组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于反射所述第一照明光以形成出射至所述第二分光件的第三照明光；

所述第二分光件设置在所述第一分光件、显示组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第三照明光并反射所述第一影像光以形成所述第一投射光；

所述第二分光件用于透射所述第一图像光以形成出射至所述第一分光件的第三图像光，所述第一分光件用于透射所述第三图像光以形成所述第二图像光。

3.根据权利要求1所述的显示光学系统，其特征在于，所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述显示组件、成像组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于透射所述第一影像光以形成出射至所述第二分光件的第二影像光；

所述第二分光件设置在所述第一分光件、所述照明组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第二影像光并反射所述第一照明光以形成所述第一投射光；

所述第二分光件用于透射所述第一图像光以形成出射至所述第一分光件的第三图像光，所述第一分光件用于反射所述第三图像光以形成所述第二图像光。

4.根据权利要求1所述的显示光学系统，其特征在于，所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述显示组件、所述成像组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件反射所述第一影像光以形成出射至所述第二分光件的第三影像光；

所述第二分光件设置在所述第一分光件、所述照明组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第三影像光并反射所述第一照明光以形成所述第一投射光；

所述第二分光件用于透射所述第一图像光以形成入射至所述第一分光件的第三图像光，所述第一分光件用于透射所述第三图像光以形成所述第二图像光。

5.根据权利要求1所述的显示光学系统，其特征在于，所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述照明组件、显示组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于透射所述第一照明光并反射所述第一影像光以形成出射至所述第二分光件的第二投射光；

所述第二分光件设置在所述第一分光件、所述成像元件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第二投射光以形成所述第一投射光；

所述第二分光件用于反射所述第一图像光以形成所述第二图像光。

6.根据权利要求1所述的显示光学系统，其特征在于，所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述显示组件、所述照明组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于反射所述第一照明光并透射所述第一影像光以形成出射至所述第二分光件的第二投射光；

所述第二分光件设置在所述第一分光件、成像组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第二投射光以形成所述第一投射光；

所述第二分光件用于反射所述第一图像光以形成所述第二图像光。

7.根据权利要求1所述的显示光学系统，其特征在于，所述耦合组件包括光学结构，所述显示组件、所述照明组件和所述成像组件在所述光学结构的一侧并列设置，所述光学结构用于耦合入射至所述光学结构的所述第一影像光、所述第一照明光和所述环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；

所述光学结构用于接收所述目标物体反射的光线并形成出射至所述成像组件的第三图像光，所述成像组件用于根据所述第三图像光成像。

8.根据权利要求1-6任一项所述的显示光学系统，其特征在于，所述第一分光件包括部分反射部分透射膜；和/或，所述第二分光件包括部分反射部分透射膜。

9.根据权利要求1-6任一项所述的显示光学系统，其特征在于，所述分光件包括直角棱镜，所述直角棱镜的第一直角面形成有所述第一分光件，所述直角棱镜的第二直角面形成有所述第二分光件。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括：

主体；及

权利要求1至9任意一项所述的显示光学系统，所述显示光学系统设置于所述主体内。

11.一种控制方法，用于头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括主体和显示光学系统，所述显示光学系统设置于所述主体内，所述显示光学系统包括显示组件、照明组件、耦合组件和成像组件，所述显示组件用于投射第一影像光；所述照明组件用于投射第一照明光；所述耦合组件用于耦合所述第一影像光、所述第一照明光和入射至所述耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；所述耦合组件包括分光件和光学结构，所述分光件设置在所述显示组件、所述照明组件和所述成像组件之间；所述分光件用于接收所述第一影像光和所述第一照明光并形成出射至所述光学结构的第一投射光；所述光学结构用于将所述第一投射光和所述环境光导向所述目标物体；所述光学结构设置在所述分光件的一侧，所述光学结构用于接收所述目标物体反射的光线并形成出射至所述分光件的第一图像光；所述分光件用于接收所述第一图像光并形成出射至所述成像组件的第二图像光；所述成像组件用于根据所述第二图像光形成所述目标图像；所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述照明组件、所述成像组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于透射所述第一照明光以形成出射至所述第二分光件的第二照明光；所述第二分光件设置在所述第一分光件、所述显示组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第二照明光并反射所述第一影像光以形成所述第一投射光；所述第二分光件用于透射所述第一图像光以形成出射至所述第一分光件的第三图像光，所述第一分光件用于反射所述第三图像光以形成所述第二图像光

所述控制方法包括：

获取拍摄指令；

根据所述拍摄指令控制所述成像组件根据被所述目标物体反射的光线形成目标图像。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

根据所述目标图像确定所述目标物体的健康信息。

13.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

根据所述目标图像确定所述头戴显示设备的控制指令；

根据所述控制指令控制所述头戴显示设备运行。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标图像确定所述头戴显示设备的控制指令，包括：

根据所述目标图像确定所述目标物体对所述头戴显示设备的关注位置；

根据所述关注位置确定所述控制指令。

15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述目标物体包括预设标识，根据所述目标图像确定所述目标物体对所述头戴显示设备的关注位置，包括：

根据所述目标图像确定标识位置，所述标识位置为所述预设标识在所述目标图像中的位置；

根据所述标识位置确定所述目标物体的关注位置。

16.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括主体、显示光学系统和处理器，所述显示光学系统设置于所述主体内，所述显示光学系统包括显示组件、照明组件、耦合组件和成像组件，所述显示组件用于投射第一影像光；所述照明组件用于投射第一照明光；所述耦合组件用于耦合所述第一影像光、所述第一照明光和入射至所述耦合组件的环境光，并将耦合后的光线导向位于所述显示光学系统外的目标物体；所述耦合组件包括分光件和光学结构，所述分光件设置在所述显示组件、所述照明组件和所述成像组件之间；所述分光件用于接收所述第一影像光和所述第一照明光并形成出射至所述光学结构的第一投射光；所述光学结构用于将所述第一投射光和所述环境光导向所述目标物体；所述光学结构设置在所述分光件的一侧，所述光学结构用于接收所述目标物体反射的光线并形成出射至所述分光件的第一图像光；所述分光件用于接收所述第一图像光并形成出射至所述成像组件的第二图像光；所述成像组件用于根据所述第二图像光形成所述目标图像；所述分光件包括第一分光件和第二分光件，所述第一分光件设置在所述照明组件、所述成像组件和所述第二分光件之间，所述第一分光件用于透射所述第一照明光以形成出射至所述第二分光件的第二照明光；所述第二分光件设置在所述第一分光件、所述显示组件和所述光学结构之间，所述第二分光件用于透射所述第二照明光并反射所述第一影像光以形成所述第一投射光；所述第二分光件用于透射所述第一图像光以形成出射至所述第一分光件的第三图像光，所述第一分光件用于反射所述第三图像光以形成所述第二图像光；所述处理器用于执行权利要求11-15中任一项所述的控制方法。

17.一种包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求11-15中任一项所述的控制方法。