CN115857164A - 近眼显示装置及近眼显示装置视角调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种近眼显示装置，包括：相机模组，用于沿第一光轴的方向获取图像信息；显示模组，用于沿第二光轴将虚拟信息的图像光传输到人眼；旋转模组，与所述相机模组连接，用于控制所述相机模组旋转以改变所述第一光轴的位置，从而使所述近眼显示装置在近景视角状态和远景视角状态之间切换；其中，在所述远景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角为25°；在所述近景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°。本申请还提供一种近眼显示装置视角调节方法。

Description

近眼显示装置及近眼显示装置视角调节方法

技术领域

本申请涉及显示领域，尤其涉及一种近眼显示装置以及一种近眼显示装置视角调节方法。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种将虚拟信息与真实世界融合的显示技术。也即在人眼观察到的真实世界的基础上，附加由电子设备投射的虚拟图像信息。现有的头戴式AR显示装置通常包括相机模组以及显示模组，用于获取观察者视野范围内的图像，并根据获得的图像将虚拟图像信息投射到观察者的视野范围内的预设位置。

然而，目前的相机模组与显示模组通常只能应用于远景场景，当观察的物体处于近景距离(例如，物体与人眼的距离小于40cm)时，通常人眼的垂直视角会自动下移，而此时的相机模组获取的仍然是远景场景下的实景，导致人眼的注视中心脱离相机模组获取的实景的中心。此外，由于相机模组与显示模组之间具有一定距离，通常二者的光轴会具有一定的夹角以适配远景场景下的显示，导致在近景场景时，相机模组的拍摄范围与显示模组显示范围的重叠区域变小，进而导致无法实现AR的效果。

发明内容

本申请一方面提供一种近眼显示装置，包括：

相机模组，用于沿第一光轴的方向获取图像信息；

显示模组，用于沿第二光轴将虚拟信息的图像光传输到人眼；

旋转模组，与所述相机模组连接，用于控制所述相机模组旋转以改变所述第一光轴的位置，从而使所述近眼显示装置在近景视角状态和远景视角状态之间切换；

其中，在所述远景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角为25°；在所述近景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°。

本申请实施例提供的近眼显示装置，通过设置旋转模组，可以控制相机模组在远景视角和近景视角之间切换。通过设置第一光轴与第一方向之间的夹角为18°-25°，可以保持使用者较佳的舒适度，从而延长近眼显示装置的使用时间。通过设置第一光轴与第二光轴之间的夹角小于等于13°，可以保证相机模组的视角与显示模组的显示范围完全重合，便于实现透视显示功能。

在一实施例中，在所述近景视角下，所述第一光轴与第一方向的夹角为18°-25°。

在一实施例中，所述显示模组包括光机和波导片，所述光机用于发出图像光，所述波导片用于将所述图像光传输到所述人眼；所述波导片垂直于所述第二光轴。

在一实施例中，所述近眼显示装置还包括壳体，所述壳体包括上壳体和保护罩，所述光机和所述相机模组设置于所述上壳体内，所述波导片被所述保护罩覆盖，所述保护罩远离所述上壳体的一端向所述人眼的方向倾斜，并与所述第一方向之间呈78°-85°角。

在一实施例中，所述近眼显示装置还包括眼动追踪装置，用于确定所述人眼的状态，所述旋转模组根据所述人眼的眼动状态控制所述相机模组在所述远景视角和所述近景视角之间切换。

在一实施例中，所述近眼显示装置还包括测距装置，用于确定人眼与观测的物体之间的距离，所述旋转模组根据所述距离控制所述相机模组在所述远景视角和所述近景视角之间切换。

本申请另一方面提供一种近眼显示装置视角调节方法，包括：

提供相机模组，所述相机模组用于沿第一光轴的方向获取图像信息；

提供显示模组，所述显示模组用于沿第二光轴将图像光传输到人眼；

旋转所述相机模组，使得所述第一光轴与第一方向的夹角为18°-25°，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°。

本申请实施例提供的近眼显示装置视角调节方法，通过调整相机模组至近景视角，可以便于在近景范围内实现透视显示功能。通过调整第一光轴与第一方向之间的夹角为18°-25°，可以保持使用者较佳的舒适度，从而延长近眼显示装置的使用时间。通过设置第一光轴与第二光轴之间的夹角小于等于13°，可以保证相机模组的视角与显示模组的显示范围完全重合，便于实现透视显示功能。

在一实施例中，旋转所述相机模组，使得所述第一光轴与第一方向的夹角为18°-25°，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°之前，还包括：设置所述相机模组至远景视角，在所述远景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角为25°。

在一实施例中，所述近眼显示装置视角调节方法还包括：追踪所述人眼的眼动状态，判断是否旋转所述相机模组。

在一实施例中，所述近眼显示装置视角调节方法还包括：测量所述人眼与观测的物体之间的距离，判断是否旋转所述相机模组。

附图说明

图1为现有技术中近眼显示装置在近景视角时的状态示意图。

图2为现有技术中近景视角时近眼显示装置的覆盖示意图。

图3为本申请一实施例中近眼显示装置的结构示意图。

图4为本申请一实施例中相机模组的角度与舒适度的关系图。

图5为本申请一实施例中相机模组与显示模组的角度示意图。

图6为本申请一实施例中相机模组的结构示意图。

图7为本申请一实施例中显示模组的结构示意图。

图8为本申请一实施例中近眼显示装置视角调节方法的流程图。

主要元件符号说明

近眼显示装置 100、900

显示模组 11、91

波导片 111、911

光机 913、113

显示区域 910

相机模组 13、93

拍摄区域 930

旋转模组 15

眼动追踪装置 17

测距装置 19

壳体 12

上壳体 121

通孔 122

保护罩 123

第一光轴 L1

第二光轴 L2

显示中心 P1

注视中心 P

第一方向 X

人眼 E

近景平面 F

有效范围 F1

夹角 α、β、θ

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

为能进一步阐述本申请达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施方式，对本申请作出如下详细说明。

请参阅图1，现有的近眼显示装置900，通常包括显示模组91和相机模组93，近眼显示装置900为基于增强现实(Augmented Reality，AR)的显示装置。显示模组91包括透光的波导片911和光机913，其中，波导片911设置于人眼E的注视方向，光机913用于将图像光照射在波导片911上，使得波导片911在透过远离人眼E一侧光线的同时，显示光机913出射的图像光，使得人眼E可以同时看到真实世界的信息以及光机913投射的虚拟信息，也即AR显示。

其中，波导片911通常基于光栅以及全反射的原理，也即光机913出射的图像光透射在波导片911上，在光栅的作用下沿着波导的两侧不断地进行全反射，并最终被反射到人眼E中。在此过程中，光机913出射的图像光发生扩散，从而在人眼E的视野范围内形成显示区域910(请参阅图2)。具体来说，显示区域910为显示模组91能够在人眼E的视野范围内显示虚拟图像的区域。通常显示模组91显示的虚拟图像不会覆盖人眼E的全部视野范围，而是只能覆盖一部分，显示模组91能够在人眼E的视野范围内显示图像的区域即为显示区域910(如图2所示)。

在近眼显示装置900中，显示模组91仅能实现将虚拟的图像投射到人眼中，从而在现实世界的基础上叠加显示虚拟的图像。然而，在未获取现实世界场景信息的情况下，显示模组91显示的图像与现实世界的场景无法相互关联，若要进一步实现AR功能，需要将虚拟的图像叠加在现实世界的预设位置，因此还需要通过相机模组93来同步获取人眼E视野范围内的场景信息，从而使显示模组91可以根据人眼E注视的场景进行互动。也就是说，要求相机模组93拍摄的实景场景区域(即拍摄区域930)与显示区域910之间具有相互重叠的区域，该相互重叠的区域为可以实现AR功能的有效范围F1。

然而，请一并参阅图1和图2，近眼显示装置900只能应用于远景场景，在近景场景下，也即人眼E与注视的物体之间的距离小于40cm时，近眼显示装置900可能无法实现AR功能。具体来说，一方面，应用于远景场景下的近眼显示装置900，由于相机模组93需要获取人眼E的视角中的场景图像，但是相机模组93无法直接设置在人眼E的位置。通常来说，相机模组93会设置于人眼E的上方，也即波导片911的上方，为了能获取到人眼E的视角中的场景图像，相机模组93的光轴需要相对于人眼E注视的方向向下倾斜一定的角度，通常来说，显示模组91的光轴与相机模组93的光轴之间的夹角θ为25°。因此，在近景场景时，在近景平面F上显示区域910与拍摄区域930相重叠的有效范围F1会变得很小，导致无法完整的实现AR功能。另一方面，在近景场景下，人眼E的注视中心通常会向下方偏移15°至20°，以提高注视物体时的舒适度。也即在近景平面F上，人眼E的注视中心P偏离了显示模组91的显示区域910的显示中心P1，使得显示模组91的显示区域910相较于偏移后人眼E的视线偏上，甚至脱离人眼的视野中心。

为实现近景场景下的AR功能，本申请实施例提供一种近眼显示装置，请参阅图3，近眼显示装置100包括显示模组11、相机模组13以及旋转模组15，其中，相机模组13用于沿第一光轴L1的方向获取图像信息。显示模组11用于沿第二光轴L2将虚拟信息的图像光传输到人眼E。第二光轴L2与第一光轴L1具有非零夹角。旋转模组15与相机模组13连接，用于控制相机模组13旋转以改变第一光轴L1与第二光轴L2的夹角，从而实现近眼显示装置100在远景视角状态和近景视角状态之间切换。其中，在远景视角状态下，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ为25°；在近景视角状态下，第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°-25°，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ小于等于13°。

具体来说，第一方向X为人眼E在远景场景下平视时注视的方向，在近景场景下，人眼E的注视方向会相较于第一方向X向下偏移，从而提高舒适度。为了补偿人眼E的注视方向的偏移以及近景场景下相机模组13的拍摄区域与显示模组11的显示区域重叠的有效范围变小，旋转模组15会控制相机模组13旋转到合适的角度，从而实现近景场景下的AR功能。

显示模组11包括波导片111以及光机113，其中，光机113用于出射图像光到波导片111，波导片111用于将图像光投射到人眼E中，从而使人眼E可以在波导片111远离人眼E的一侧观察到虚像，波导片111垂直于第二光轴L2，虚像同样与第二光轴L2相交，波导片111垂直于第二光轴L2，也即第二光轴L2与成像平面相交的位置即为显示区域的几何中心。相机模组13包括一图像采集装置，第一光轴L1即为相机模组13对准的方向，也即采集到的图像的几何中心。

请参阅图4，以人眼E与注视的物体之间距离为40cm时的情况为例，对相机模组13的倾斜角度与使用者的舒适度的关系进行表示。具体来说，舒适度是指使用者维持近眼显示装置使用状态的姿势直到产生疲劳的时间。其中舒适度在6分时，使用者使用近眼显示装置约10-15分钟后开始产生疲劳；舒适度在5分时，使用者使用近眼显示装置约5-10分钟后开始产生疲劳；舒适度在7分时，使用者使用近眼显示装置约15-20分钟后开始产生疲劳……舒适度在10分时，使用者使用近眼显示装置并产生疲劳的时间大于30分钟。以舒适度为6分时作为最低使用标准，则此时相机模组13的第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°，而在舒适度为10分时，相机模组13的第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为25°。因此，在近景场景下，为了保证使用的舒适度，第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°-25°。

请参阅图5，在近景场景下，显示模组11的第二光轴L2与相机模组13的第一光轴L1之间的夹角θ为13°时，显示模组11显示区域刚好被相机模组13拍摄区域完全覆盖，且显示模组11显示区域的一条边界与相机模组13拍摄区域的一条边界重合，因此，为了保证近眼显示装置100实现AR功能，第一光轴L1与第二光轴L2之前的夹角θ要小于等于13°。

请继续参阅图3，第二光轴L2与第一方向X之间的夹角β为5°-12°。具体来说，由于在近景场景下，第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°-25°，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ小于等于13°，因此当第一光轴L1与第一方向X之间的夹角为18°时，第二光轴L2与第一方向X之间的夹角β至少为5°。而由于波导片111垂直于第二光轴L2，且波导片111设置于人眼E的前方，为了防止波导片111过于倾斜以至于触碰到人眼E，第二光轴L2与第一方向X之间的夹角最大为12°。

综上所述，显示模组11与相机模组13之间可以包括多种角度搭配，例如：当第二光轴L2与第一方向X之间的夹角β为5°时，在近景视角下，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ为13°，第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°。当第二光轴L2与第一方向X之间的夹角β为6°时，在近景视角下，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ可以为13°，则第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为19°；或者第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ可以为12°，则第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°。当第二光轴L2与第一方向X之间的夹角β为7°时，在近景视角下，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ可以为13°，则第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为20°；或者第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ可以为12°，则第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为19°；或者第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角θ可以为11°，则第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°……等。下面将以夹角β为5°、夹角θ为13°以及夹角α为18°为例进行说明，在其他实施例中，也可以为上述的其他角度，本申请对此不做限制，只要夹角α为18°-25°、夹角β为5°-12°以及夹角θ小于等于13°，都在本申请的范围内。

旋转模组15可以包括一旋转电机，用于将相机模组13调整到上述近景视角，或者从近景视角调整到远景视角。其中，在远景视角下，第一光轴L1与第二光轴L2之间的夹角为25°。

近眼显示装置100还包括眼动追踪装置17，用于观察人眼E的运动状态，旋转模组15根据人眼E的眼动状态控制相机模组13在远景视角和近景视角之间切换。具体来说，由于在近景场景下，人眼E的视角会从沿第一方向X的平视向下偏转一定的角度，因此人眼E的眼球会发生一定的变动。通过眼动追踪装置17，可以根据人眼E的眼球状态判断出人眼E是否在观看近景场景下的物体，并以此控制相机模组13在近景视角和远景视角之间切换。

眼动追踪装置17可以包括红外光源以及感测元件，红外光源用于向眼球发射红外光，感测元件用于感测从眼球反射回的红外光，从而获得眼球的位置信息。具体来说，由于人眼E的眼睛表面包括虹膜和角膜，虹膜和角膜之间的边界具有一定的角度，通过捕获从人眼E反射的红外光，眼动追踪装置17可以获得虹膜和角膜之间的边界位置，从而确定眼球的位置，进而确定人眼E的注视方向。

近眼显示装置100还包括测距装置19，用于确认人眼E与观测物体之间的距离，旋转模组15根据该距离控制相机模组13在远景视角和近景视角之间切换。具体来说，测距装置可以为一飞行时间测距装置，通过发射并接收反射回的激光，从而根据光线往返的时间确定物体与人眼E之间的距离，当观测物体与人眼E之间的距离在近景场景的距离内，例如小于40cm时，旋转模组15会控制相机模组13进行旋转，从而调整到近景视角。

在其他实施例中，使用者还可以直接控制旋转模组15，从而控制相机模组13在近景视角和远景视角之间切换。或者近眼显示装置100还可以包括其他检测装置，用于检测近眼显示装置100是否处于近景场景，并以此控制相机模组13在近景视角和远景视角之间切换。本申请对此不做限制。

在本申请实施例中，近眼显示装置100可以只包括眼动追踪装置17和测距装置19的其中一种，也可以同时包括眼动追踪装置17和测距装置19，或者包括眼动追踪装置17、测距装置19以及其他检测装置的任意一种或其组合，本申请对此不做限制。

请一并参阅图6和图7，近眼显示装置100还包括壳体12，壳体12包括上壳体121和保护罩123，光机113和相机模组13设置于上壳体121内，波导片111被保护罩123覆盖，保护罩123远离上壳体121的一端向人眼E的方向倾斜，使得保护罩123与第一方向X之间的夹角为78°-85°。具体来说，上壳体121用于保护光机113以及相机模组13，保护罩123用于保护波导片111，也即保护罩123平行于波导片111设置。其中，上壳体121可以为不透明的材料，保护罩123为透明材料。上壳体121对应相机模组13的位置开设有通孔122，以便于进行图像采集。

本申请实施例提供的近眼显示装置100，通过设置旋转模组15，可以使相机模组13在近景视角和远景视角之间切换，从而使近眼显示装置100可以适用于近景场景和远景场景。通过设置相机模组13的第一光轴L1与第一方向X之间的夹角α为18°-25°，可以提高使用者的使用舒适度。通过设置相机模组13的第一光轴L1与显示模组11的第二光轴L2之间的夹角θ小于等于13°，使得显示模组11的显示范围可以被相机模组13的拍摄范围完全覆盖，从而可以在显示范围内完整的实现AR功能。通过设置眼动追踪装置17或者测距装置19，可以判断近眼显示装置100处于何种使用场景，从而控制相机模组13在近景视角和远景视角之间切换，从而扩展近眼显示装置100的使用范围。

本申请实施例还提供一种近眼显示装置视角调节方法，请参阅图8，其包括：

步骤S1：提供相机模组，所述相机模组用于沿第一光轴的方向获取图像信息；

步骤S2：提供显示模组，所述显示模组用于沿第二光轴将图像光传输到人眼；

步骤S3：旋转所述相机模组至近景视角，使得所述第一光轴与第一方向的夹角为18°-25°，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°。

在步骤S3之前，还包括：设置相机模组至远景视角，在远景视角下，第一光轴与第二光轴之间的夹角为25°。具体来说，相机模组用于在近景视角和远景视角之间切换，在远景视角下，需要将相机模组的第一光轴与显示模组的第二光轴之间的夹角设置为25°，从而保证在远景场景下的AR功能可以实现。

在步骤S3之前，还包括，追踪人眼的眼动状态，判断是否旋转相机模组。具体来说，在近景场景下，人眼会向下偏转15°到20°，通过追踪人眼的眼动状态，可以在人眼向下偏转时确定当前为近景场景，从而控制相机模组从远景视角旋转到近景视角。

在步骤S3之前，还包括：测量人眼与观测的物体之间的距离，判断是否旋转相机模组。具体来说，在近景场景下，人眼与观测的物体之间的距离会减小，例如小于40cm，通过测量人眼与观测的物体之间的距离，可以判断出当前是否为近景场景，从而确定是否控制相机模组从远景视角旋转到近景视角。

在本申请实施例中，在步骤S3之前，可以同时追踪人眼的眼动状态并测量人眼与观测的物体之间的距离，也可以只选择其中一种方法。在其他实施例中，还可以通过其他方式检测当前的场景是否为近景场景，本申请对此不做限制。

本申请实施例提供的近眼显示装置视角调节方法，通过旋转相机模组在远景视角与近景视角之间切换，从而使近眼显示装置适用于远景场景与近景场景，提高近眼显示装置的适用范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：

相机模组，用于沿第一光轴的方向获取图像信息；

显示模组，用于沿第二光轴将虚拟信息的图像光传输到人眼；

旋转模组，与所述相机模组连接，用于控制所述相机模组旋转以改变所述第一光轴的位置，从而使所述近眼显示装置在近景视角状态和远景视角状态之间切换；

其中，在所述远景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角为25°；在所述近景视角下，所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°。

2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，在所述近景视角下，所述第一光轴与第一方向的夹角为18°-25°，所述第一方向为X轴方向。

3.如权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示模组包括光机和波导片，所述光机用于发出图像光，所述波导片用于将所述图像光传输到所述人眼；所述波导片垂直于所述第二光轴。

4.如权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括壳体，所述壳体包括上壳体和保护罩，所述光机和所述相机模组设置于所述上壳体内，所述波导片被所述保护罩覆盖，所述保护罩远离所述上壳体的一端向所述人眼的方向倾斜，使得所述保护罩与所述第一方向之间呈78°-85°角。

5.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括眼动追踪装置，用于确定所述人眼的状态，所述旋转模组根据所述人眼的眼动状态控制所述相机模组在所述远景视角和所述近景视角之间切换。

6.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括测距装置，用于确定人眼与观测的物体之间的距离，所述旋转模组根据所述距离控制所述相机模组在所述远景视角和所述近景视角之间切换。

7.一种近眼显示装置视角调节方法，其特征在于，包括：

提供相机模组，所述相机模组用于沿第一光轴的方向获取图像信息；

提供显示模组，所述显示模组用于沿第二光轴将图像光传输到人眼；

旋转所述相机模组，使得所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°。

8.如权利要求7所述的近眼显示装置视角调节方法，其特征在于，旋转所述相机模组，使得所述第一光轴与所述第二光轴之间的夹角小于等于13°还包括：使得所述第一光轴与第一方向的夹角为18°-25°，所述第一方向为X轴方向。

9.如权利要求8所述的近眼显示装置视角调节方法，其特征在于，还包括：追踪所述人眼的眼动状态，判断是否旋转所述相机模组。

10.如权利要求8所述的近眼显示装置视角调节方法，其特征在于，还包括：测量所述人眼与观测的物体之间的距离，判断是否旋转所述相机模组。

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