CN111712750B - 增强现实或混合现实头戴式设备 - Google Patents

Abstract

一种用于佩戴在用户头部上的头戴式设备(1)，从而提供虚拟现实、增强现实和混合现实。所述头戴式设备(1)包括：用于容纳设置有显示屏的电子设备的支架(3)；设置在所述支架(3)与所述用户的眼睛之间的部分透明的第一反射元件(4)；捕捉场景图像的第二反射元件(5)。所述第一反射元件(4)和所述第二反射元件(5)用于将场景图像反射到所述用户的眼睛，而所述用户可以通过所述部分透明的反射元件(4)看见所述电子设备上的图像。

Description

增强现实或混合现实头戴式设备

技术领域

本发明涉及一种用于佩戴在用户头部上的头戴式设备，用于提供增强现实或混合现实，特别是用于结合环境场景提供数字3D虚拟图像。

背景技术

现实头戴式设备可以分为几个主要类别，用于增强现实(augmented reality，AR)、虚拟现实(virtual reality，VR)和混合现实(mixed reality，MR)。VR头戴式设备通过将周围环境排除在外来适应静态体验，例如，通过使用户完全沉浸在电影或游戏中。另一方面，AR头戴式设备和MR头戴式设备必须使周围环境清晰可见，通过允许用户在不受限制的视觉下移动，同时将场景与虚拟图像相结合等提供动态体验。

AR头戴式设备和MR头戴式设备的挑战在于，它们通常需要使用透视投影和聚焦元件来生成近眼虚拟图像。由于虚拟图像位于眼睛与环境场景之间，因此它需要有非常高的亮度来适应明亮的环境光。另外，来自光学系统的照明损耗要求源显示器具有固有的高亮度。为了获得较高的对比度，使用了遮阳片，遮蔽了大部分环境光线，但代价是降低场景图像的颜色(颜色深度)。虚拟图像制作需要在眼睛与场景之间产生光学元件。已知的解决方案涉及光束分离器，而分束器会导致源显示屏的照明度明显下降，因此需要具有高本机亮度能力的源显示屏。这导致了高功耗、操作寿命短和热问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服或至少减少上述问题的头戴式设备。

前述和其他目的通过独立权利要求的特征实现。其他实现方式在从属权利要求、说明书和附图中显而易见。

根据第一方面，提供了一种用于佩戴在用户头部上的头戴式设备，其中，所述头戴式设备包括：用于容纳显示屏的支架；设置在所述支架与所述用户的眼睛之间的部分透明的第一反射元件；第二反射元件，其中，所述第一反射元件和所述第二反射元件用于将场景图像反射到所述用户的眼睛。

例如，所述第二反射元件可以是反射镜或棱镜或其组合，设置在相对于所述第一反射元件的一定位置，使得来自场景(例如，真实)图像的入射光由所述第二反射元件偏转到所述第一反射元件，并从所述第一反射元件偏转到所述用户的眼睛。这样一来，即使从场景图像到所述用户的眼睛的直接光路径被置于所述用户眼睛前方的对象(即虚拟图像的来源)阻挡，仍可将真实世界图像偏转到用户的眼睛。在本公开中，场景图像用于指示与用户设备(如智能手机等)生成的虚拟图像形成对照的真实(真实世界)图像。

例如，所述第一反射元件可以是半透明镜或棱镜或其组合。因此，所述第一反射元件可以反射来自第二反光镜的光，并使所述光向所述用户的眼睛偏转。来自用户设备的显示器的光通过所述第一反射元件向所述用户的眼睛偏转。这样一来，所述用户设备生成的所述虚拟图像与所述图像场景的光线重叠。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，用于允许将所述显示器上的虚拟图像下施加到所述场景图像上，通过所述第一反射元件和所述第二反射元件，将所述场景图像反射到所述用户的眼睛。换句话说，所述显示器上的所述虚拟图像与所述场景图像重叠，从而创建合成图像或增强图像或混合图像。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述头戴式设备包括光学元件，其中，所述光学元件设置在所述支架与所述第一反射元件之间，用于使所述用户的眼睛聚焦到所述显示屏上以观看所述虚拟图像。

所述光学元件可以是聚焦透镜。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，将所述第一反射元件布置成与所述用户到所述支架的视线成一定角度。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，将所述第二反射元件布置成基本与所述第一反射元件平行。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，相对于所述用户到所述支架的所述视线，所述第二反射元件设置在所述第一反射元件上方或下方。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二反射元件设置在从所述用户的眼睛到所述支架的视线外部。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述支架具有面向所述用户的眼睛的第一主平面；其中，所述第一反射元件具有相对于从所述用户的眼睛到所述支架的观看轴线成一定角度的第二主平面。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述头戴式设备包括框架，其中，所述框架连接到头部附接构件，用于支撑所述支架、所述第一反射元件和所述第二反射元件。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述头戴式设备用于将所述支架定位在所述用户的眼睛前方。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一有效元件包括一对设置在所述支架与所述用户的眼睛之间的部分透明的反射元件；所述第二有效元件包括一对第二反射元件。

所述一对第一反射元件和所述一对第二反射元件用于将场景图像反射到所述用户的每只眼睛。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，至少一个所述反射元件包括反射镜。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，至少一个所述反射元件包括棱镜。

根据下文描述的一个或多个实施例，这些和其他方面将是显而易见的。

附图说明

在本发明的以下详细部分中，将参考附图中示出的示例性实施例更详细地解释各方面、实施例和实现方式，其中：

图1是使用的光学原理的图解表示；

图2是头戴式设备的实施例的图解表示，其中，所述头戴式设备不包括框架和头部附接构件；

图3是图2的图解表示，包括所使用的光学原理的图解表示；

图4是图2的头戴式设备的图解表示，其中，所述头戴式设备包括框架和头部附接构件；

图5是根据另一个实施例的头戴式设备的侧视图，包括所使用的光学原理的图解表示。

具体实施方式

图1至图3示出了头戴式设备1所使用的光学原理的图解表示。第一有效元件4(例如，半透射镜)将场景图像反射到用户的眼睛。所述第一反射元件相对于所述用户的视线成一定角度，使得允许所述用户看到所述第一反射元件4后方的所述视线中的图像(例如，显示屏上的虚拟图像)。具有显示屏7的电子设备8(例如，智能手机)布置在用户的眼睛前方，其中，第一反射元件4位于显示屏7与用户的眼睛之间。可以将光学元件9(例如，一对透镜)布置在显示屏7与第一反射元件4之间，以允许轻松看到相对短距离的显示屏7。第二反射元件5(例如，反射镜)布置在第一反射元件4的上方(如图所示)或下方(未示出)，以便将场景图像反射到用户的眼睛，即使显示屏7或电子设备8阻碍用户直接观看所述场景。

如图3所示，布置第一反射元件4和第二反射元件5，使得有效实现潜望镜效果。所谓的潜望镜效果允许用户能够看到实际上被电子设备8挡住而无法直接观看的场景图像。在一个实施例中，也可以通过用棱镜等代替反射镜作为第一反射元件4和第二反射元件5来获得潜望镜效应。在其他实施例中，通过反射镜和棱镜的组合实现潜望镜效应。

图4示出了用于佩戴在用户头部上以提供混合现实(MR)或增强现实(AR)的头戴式设备1的实施例。头戴式设备1具有框架2、支架3、设置在支架3(如图5所示)与用户眼睛之间的部分透明的第一反射元件4、第二反射元件5和头部附接构件10。根据该实施例的头戴式设备1具有与护目镜类似的结构。

头部附接构件10可以包括沿侧面围绕用户头部延伸的带子。所述带子可以是可调整的两部分(例如，塑料或皮革侧带)，包括用于调整带子长度的锁定构件；也可以是单部分弹性侧带，在佩戴在用户头部上时尽可能地扩展。

框架2与头部附接构件10连接，使得当用户佩戴头戴式设备1时，框架2在用户的脸部前方部分或完全延伸。框架2可以仅包括类似于护目镜对的前片，也可以设置有太阳镜(例如，一对镜片的太阳镜)。无论如何，框架2优选地适于放置在用户的头部，例如鼻梁上。

所述框架支撑第一反射元件4和第二反射元件5。以类似布置潜望镜的方式来布置第一反射元件4和第二反射元件5，从而将场景图像反射到用户的眼睛，如图3所示。通过其宽度足以覆盖用户两只眼睛的第一反射元件4和第二反射元件5，用户看到3D场景图像。在另一个实施例中，头戴式设备1设置有一对优选基本相同的第一反射元件和一对优选基本相同的间隔设置的第二反射元件，使得这些反射元件对覆盖用户的两只眼睛，从而确保用户看到3D场景图像。该一对第一反射元件和所述一对第二反射元件用于将场景图像反射到所述用户的每只眼睛，以实现3D效果。

框架2也支撑支架3。支架3用于容纳显示屏7(例如，电子设备8(例如，智能手机)的显示屏)。头戴式设备1用于在用户佩戴头戴式设备1时，将支架3定位在用户的眼睛前方。

在一个实施例中，支架3用于固定电子设备8，同时保持显示屏7始终能被看到。支架3可以包括板状构件，该板状构件邻接并支撑电子设备8的背面。该板部件设置有用于可释放地固定电子设备8的固定元件，例如，L形托架。此外，支架3可以是空心框架，该框架至少部分地围绕电子设备8的外围边缘延伸，使得显示屏7始终能被看到。支架3可以包括托架或夹子，其容纳、支撑电子设备8并沿着电子设备8的边缘在特定位置处与电子设备8互锁。

用户可以通过第一部分透明反射元件4看见显示屏7上的虚拟图像，从而将所述虚拟图像下施加到所述场景图像上，通过第一反射元件4和第二反射元件5，将所述场景图像反射到用户眼睛。

在一个实施例中，头戴式设备1设置有光学元件9，其中，所述光学元件9设置在支架3与第一反射元件4之间，用于将用户的眼睛聚焦到显示屏7上以轻松观看相对短距离显示屏7上的虚拟图像。在一个实施例中，光学元件9包括聚焦透镜9或一对聚焦透镜9(其中，一个聚焦透镜对应用户的一只眼睛)，例如，放大透镜。

在一个实施例中，将第一反射元件4布置成与用户到支架3/显示屏7的视线成一定角度。结合第一反射元件4为半透明，第一反射元件4的角度使得第一反射元件4能够反射场景图像，并且能够通过第一反射元件4看到虚拟图像(当电子设备8容纳在支架3中并在显示屏7上显示虚拟图像时)。

在一个实施例中，第一反射元件4可以设置有诸如银或铝等金属的薄层。

优选地，将第二反射元件5布置成基本与第一反射元件4平行，以避免使用补偿光学元件。

在一个实施例中，相对于用户到支架3的视线，将第二反射元件5设置在第一反射元件4上方。在另一个实施例中，相对于用户到支架3的视线，将第二反射元件5设置在第一反射元件4下方。

第二反射元件5设置在从所述用户的眼睛到支架3的视线外部。

图5示出了头戴式设备1的另一个实施例，其中，所述头戴式设备1具有框架2、第一反射元件4、第二反射元件5、支架3、光学元件9。如图所示，头戴式设备1不包括头部附接构件，但应理解，任何合适的头部附接构件均可用于本实施例。图5中还示出了第一反射元件4的平面与从支架3到用户的视线之间的角度α。示出了支架3内具有显示屏7的电子设备8(细虚线)。第一虚线示出了通过第二有效元件5和第一有效元件4从场景到达用户眼睛的光路径。带破折号和点的第二虚线示出了通过第一有效元件4从虚拟图像到用户眼睛的光路径。框架2可以由相对较窄的元件形成，通过将所述框架部件放置在中央或外围，使这些元件不会阻挡用户决定的场景。

在一个实施例中，支架3具有当用户头戴头戴式设备1时面向用户的眼睛的第一主平面，第一反射元件4具有相对于从用户眼睛到支架3的观看轴线成一定角度的第二主平面，从而利用第一反射元件4的半反射特性，使得可以通过第一反射元件4看到显示屏7上的图像，并通过第一有效元件4将场景图像反射到用户的眼睛。

在一个实施例中，第一反射元件4包括半透明镜4或一对半透明镜。在另一个实施例中，第一反射元件4包括棱镜或一对棱镜。

在一个实施例中，第二反射元件5包括反射镜5或一对反射镜。在另一个实施例中，第二反射元件5包括棱镜或一对棱镜。

本文结合各种实施例描述了各种方面和实现方式。然而，根据对附图、本发明和所附权利要求书的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现所公开实施例的其他变化。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可满足权利要求中描述的几项的功能。仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这一事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储或分发到合适的介质上，例如与其他硬件一起或者作为其他硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其他形式例如通过因特网或者其他有线或无线电信系统分发。

权利要求书中所用的参考符号不应解释为限制了范围。

Claims (13)

1.一种用于佩戴在用户头部上的头戴式设备(1)，其特征在于，所述头戴式设备(1)包括：

用于容纳显示屏(7)的支架(3)；

设置在所述支架(3)与所述用户的眼睛之间的部分透明的第一反射元件(4)；

第二反射元件(5)；

其中，所述第一反射元件(4)和所述第二反射元件(5)用于将场景图像反射到所述用户的眼睛；

包括框架(2)，其中，所述框架(2)连接到头部附接构件，用于支撑所述支架(3)、所述第一反射元件(4)和所述第二反射元件(5)。

2.根据权利要求1所述的头戴式设备(1)，其特征在于，用于允许所述第一反射元件(4)和所述第二反射元件(5)将所述显示器(7)上的虚拟图像附加在所述用户眼睛所反射的所述场景图像上。

3.根据权利要求1或2所述的头戴式设备(1)，其特征在于，包括光学元件(9)，其中，所述光学元件(9)设置在所述支架(3)与所述第一反射元件(4)之间，用于使所述用户的眼睛聚焦到所述显示屏(7)上以观看虚拟图像。

4.根据权利要求3所述的头戴式设备(1)，其特征在于，所述光学元件(9)包括聚焦透镜(9)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，将所述第一反射元件(4)布置成与所述用户到所述支架(3)的视线成一定角度。

6.根据权利要求4所述的头戴式设备(1)，其特征在于，将所述第二反射元件(5)布置成基本与所述第一反射元件(4)平行。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，相对于所述用户到所述支架(3)的视线，所述第二反射元件(5)设置在所述第一反射元件(1)上方或下方。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，所述第二反射元件(5)设置在从所述用户的眼睛到所述支架(3)的视线外部。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，所述支架(3)具有面向所述用户的眼睛的第一主平面；其中，所述第一反射元件(4)具有相对于从所述用户的眼睛到所述支架(3)的观看轴线成一定角度的第二主平面。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，所述头戴式设备(1)用于将所述支架(3)定位在所述用户的眼睛前方。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，

所述第一反射元件(4)为一对，所述第二反射元件(5)为一对，其中

所述一对第一反射元件和所述一对第二反射元件用于将场景图像反射到所述用户的每只眼睛。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，所述第一反射元件(4)、所述第二反射元件(5)中的至少一个包括反射镜。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的头戴式设备(1)，其特征在于，所述第一反射元件(4)、所述第二反射元件(5)中的至少一个包括棱镜。

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