CN117045254A - 用于磁探测系统的头戴式显示设备和磁探测系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于磁探测系统的头戴式显示设备以及磁探测系统，所述头戴式显示设备包括：显示模组，配置为显示图像；以及光源模组，配置为产生光束，所述光源模组远离所述显示模组设置在所述磁探测系统的屏蔽环境之外，并且耦合至所述显示模组。

Description

用于磁探测系统的头戴式显示设备和磁探测系统

技术领域

本发明涉及一种用于磁探测系统的头戴式显示设备和磁探测系统。

背景技术

在基于弱磁场探测器信号测量装置进行生理学信号测量的设备，包括但不限于脑磁图、心磁图等设备中，在很多场景中，需要向受试者提供包括但不限于静态图像、虚拟现实(VR)，增强现实(AR)等视觉刺激，这些视觉刺激可以通过头戴式显示设备进行呈现和投射。受试者包括幼儿等低配合度人群。现有的头戴式显示技术，主要基于安装于头戴装置中、靠近佩戴者眼部的液晶显示(LCD)、有机发光二极管(OLED)或光波导显示器件，其显示设备或背光装置有较大的工作电流，在使用中会产生磁场，干扰弱磁场测量设备的工作及引入磁场噪声。

基于弱磁场探测器进行生理学信号测量的装置，通常需要放置于屏蔽环境中或使用主动补偿技术以实现对低于地球磁场的生理学磁信号的测量，因为弱磁场探测器所探测的电生理活动信号极其微弱，这一灵敏测量设备很容易被现有的头戴式显示设备的干扰。尤其是近些年，随着穿戴式弱磁场生理信号测量设备的出现和普及，以及其与虚拟现实等技术的结合和快速与发展，现有的头戴式显示技术在这一领域的应用已经越来越无法满足需求，需要一种新型的低电磁噪声及低磁场干扰的头戴式显示设备。

发明内容

针对上文提到的问题和需求，本发明提出了一种新型的用于磁探测系统的头戴式显示设备，以及包括这种头戴式显示设备的磁探测系统，其由于采取了如下技术特征而解决了上述问题，并带来其他技术效果。

一方面，本发明提供一种用于磁探测系统的头戴式显示设备，包括：显示模组，配置为显示图像；和光源模组，配置为产生光束，所述光源模组远离所述显示模组设置在所述磁探测系统的屏蔽环境之外，并且耦合至所述显示模组。

在一些示例中，所述显示模组包括：显示屏幕和至少一个滤光片，所述至少一个滤光片对所述光源模组产生的光束进行滤光并显示在所述显示屏幕上。

在一些示例中，所述显示模组包括多个滤光片，所述多个滤光片中的每个包括静态的视觉刺激图案。

在一些示例中，所述显示模组还包括滤光片切换装置，配置为切换所述多个滤光片中的至少两个滤光片。

在一些示例中，所述滤光片切换装置平移切换或旋转切换所述多个滤光片中的至少两个滤光片。

在一些示例中，所述滤光片为主动式滤光片，所述头戴式显示设备还包括控制器，配置为控制所述主动式滤光片的图案。

在一些示例中，所述滤光片为液晶片。

在一些示例中，所述头戴式显示设备还包括支架，所述支架包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述显示模组容纳在所述第一表面和所述第二表面之间。

在一些示例中，所述支架包括滤光片插口，配置为插入或更换所述滤光片。

在一些示例中，所述第一表面设置有多个追踪标记点，用于设置在所述屏蔽环境内的追踪摄像头对所述头戴式显示设备的空间位置和朝向进行追踪。

在一些示例中，所述支架还包括遮光罩，设置在所述支架的第二表面上，配置为在佩戴所述头戴式显示设备时贴合受试者的面部。

在一些示例中，所述光源模组经由光纤耦合至所述显示模组，所述光纤包括入射端和出射端，所述入射端耦合至所述光源模组，所述出射端耦合至所述显示模组。

在一些示例中，所述光源模组包括：光源、光源显示控制器和光纤耦合器，所述光源显示控制器配置为控制从所述光源出射的光束，所述光纤耦合器配置为将所述光源显示控制器输出的光束耦合至所述光纤的入射端。

在一些示例中，所述光纤为单芯光纤。

在一些示例中，所述光纤为多芯光纤，所述光源显示控制器包括对应于光纤芯数的多个显示区域，所述光源显示控制器配置为控制所述多个显示区域内的每个所要显示的图像。

在一些示例中，所述头戴式显示设备为AR眼镜或VR眼镜。

又一方面，本发明还提供一种磁探测系统，包括如前所述的头戴式显示设备。

在一些示例中，所述磁探测系统还包括磁屏蔽室，所述磁屏蔽室配置为在其中提供屏蔽环境，所述显示模组设置在所述磁屏蔽室内，所述光源模组设置在所述磁屏蔽室外。

在一些示例中，所述显示模组和所述光源模组经由波导管连接。

在一些示例中，所述磁探测系统还包括追踪摄像头，设置在所述磁屏蔽室内，并且配置为对所述头戴式显示设备的空间位置和朝向进行追踪。

附图说明

图1示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备的示意图；

图2示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备的结构示意图；

图3示出了根据本公开又一实施例的头戴式显示设备的结构示意图；

图4示出了根据本公开至少一实施例的磁探测系统的示意图，其中受试者已佩戴头戴式显示设备；

图5(A)至(B)分别示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备的滤光片切换装置的结构示意图；

图6(A)至(F)分别示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备的滤光片的示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件和等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在如下的说明书和所附的权利要求书中，采用了方向性术语“内”和“外”，其中，内、内侧、内表面是指朝向“磁屏蔽室”围绕的工作区域的表面，而外、外侧、外表面是指与所述内、内侧、内表面相反的表面。

基于弱磁场探测器进行生理学信号测量的装置，通常需要放置于屏蔽环境中或使用主动补偿技术以实现对低于地球磁场的生理学磁信号的测量。在很多测量场景中，需要向受试者提供包括但不限于静态图像、虚拟现实(VR)，增强现实(AR)等视觉刺激，这些视觉刺激可以通过头戴式显示设备进行呈现和投射。

然而，现有的头戴式显示设备，尤其是其显示器件或背光装置在工作时有较大的工作电流，因此会不可避免地产生磁场，干扰弱磁场测量设备的工作及引入磁场噪声。

替代性的方案可能包括利用投影技术将视觉刺激信号或图像投射在受试者所处的屏蔽环境中。然而，这种投影方案难以令包括幼儿等低配合度人群的受试者保持对视觉刺激的注意力。因此，头戴式显示设备仍具有实际应用的需求。此外，头戴式显示设备对于受试者克服在有限的屏蔽环境中进行检测期间的焦虑也是有益的。

因此，针对头戴式显示设备在基于弱磁场探测器信号测量装置进行生理学信号这一领域的应用需求，并且为了克服现有的头戴式显示设备因其自身磁场噪声而导致的对弱磁场测量设备工作的干扰，本发明提出一种新型的低电磁噪声及低磁场干扰甚至无电磁噪声/磁场干扰的头戴式显示设备。此外，本发明还提出一种包括上述头戴式显示设备的磁探测系统。

本发明的技术方案通过插入式被动滤光片，可以实现对精细静态图像的高分辨率无电磁噪声显示，或者通过插入液晶等主动式滤光片，实现对精细动态图像的高分辨率低电磁噪声显示。

以下将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施例。与附图所展示的实施例相比，本发明保护范围内的可行实施方案可以具有更少的部件、具有附图未展示的其他部件、不同的部件、不同地布置的部件或不同连接的部件等。此外，在不脱离本发明的理念的情况下，附图中两个或更多个部件可以在单个部件中实现，或者附图中所示的单个部件可以实现为多个分开的部件。

图1示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备100的示意图。如图1所示，根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备100，包括支架1、显示模组2、遮光罩3、头带4、追踪标记点5、光纤及控制线束6。支架1的截面大致呈矩形，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。在第一表面和第二表面之间限定容置空间，显示模组2容纳在容置空间内。显示模组2通过光纤及控制线束6连接至设置在屏蔽环境外的光源模组8和控制系统(未示出)。

在支架1的第一表面上，设置有多个追踪标记点5，用于设置在磁屏蔽室10内的追踪摄像头20对头戴式显示设备100的空间位置和朝向进行追踪。追踪标记点5可以采用主动或被动式的光学标记点，例如能够主动发光的LED光源，或者能够反射光的反光标志。

遮光罩3设置在支架1的第二表面上，用于在佩戴头戴式显示设备100时贴合受试者面部。遮光罩3可以包括硅胶材料、弹性织物、海绵、或者弹性织物和海绵的复合材料等。

头带4的两端分别与遮光罩3的两端连接，或者与支架1的两端连接，头戴4包括弹性材料，并且可弯折成U形以用于将头戴式显示设备100佩戴至受试者的头部。

显示模组2例如可以包括两个子显示模组，分别用于向受试者的左右眼显示图像。显示模组2通过光纤及控制线束6接收设置在屏蔽环境外的光源模组发出的光线以及控制系统发出的控制信号。关于显示模组2的具体构造和结构将在后文结合附图详细描述。

由此，头戴式显示设备100的位于磁屏蔽室或屏蔽环境中的所有元件由低电磁噪声及低磁场干扰甚至无电磁噪声/磁场干扰的元件组成。而诸如光源模组和/或控制系统之类的有电磁噪声设备设置在磁屏蔽室或屏蔽环境之外，这样的设置可以确保在磁探测系统中的磁探测器检测时不会存在干扰磁场。

图4示例性地示出了受试者已佩戴头戴式显示设备100的磁探测系统的示意图，如图4所示，受试者佩戴头戴式显示设备100并坐在磁屏蔽室内。磁探测系统包括磁屏蔽室10、追踪摄像头20和如前所述的头戴式显示设备100。此外，磁探测系统还可以包括用于探测磁场强度及分布的磁探测器(未示出)。磁探测器可以例如包括基于原子自旋实现无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free,SERF)效应的原子磁力计等对静磁场敏感的灵敏磁探测器。

磁屏蔽室10可以采用高磁导率的磁屏蔽材料层来屏蔽外界磁场，或者进一步地，采用消磁装置对磁屏蔽室10内的静磁场进行实时消磁。

可选地，磁探测系统还可以包括主动磁场测量和补偿装置。磁场补偿装置通常为线圈或其他类型的磁场发生器，可以通过控制其输入电流以生成特定空间分布的磁场，从而补偿目标区域内的静磁场、变化磁场及梯度场。

磁探测系统还可以包括波导管9，显示模组2和光源模组8经由波导管连接。波导管是一种空心金属圆管，用于磁屏蔽室开孔时对于一定频率范围的电磁波进行衰减和屏蔽，实现磁屏蔽室内外连通的情况下依然具有良好的屏蔽性能，用于磁屏蔽室内外走线，线束可为光纤、电缆或其他类型。波导管9通常设置在磁屏蔽室的侧壁或顶壁，为单个或多个成簇布置，可在磁屏蔽室的内外附加开孔的屏蔽盖进一步提高屏蔽性能。

图2示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备100的结构示意图。

在本实施例中，光源模组8包括光源81、光源显示控制器82和光纤耦合器83。

光源81可以例如采用白色光源或在单一位置集中布设的三色光源，例如LED光源或LED光源阵列。

光源显示控制器82为控制光源的输出从而最终控制显示装置的图案显示，例如对光源出射的光线进行控制，例如改变出射光线的整体光线范围或局部范围的亮暗、颜色或灰度，以实现在头戴显示装置中最终显示图案的变化。

光源81可以例如发射平行光线，平行光线经由光纤耦合器83耦合进入光纤61中。而后经过光纤61传输至显示模组2的输入端，经光线扩散器22扩散后入射至滤光片23，并投影在显示屏幕21上形成图像，该图像由设置在靠近人眼侧的显示透镜24成像给人眼。

光纤61可以例如为单芯光纤或多芯光纤。

结合图1，头戴式显示设备100还可以包括设置在支架1上侧的两个滤光片插口7，滤光片插口7配置为插入或更换滤光片23。滤光片23根据应用场景的不同可以具有不同的图案，并且可以通过一滤光片切换装置20在多个不同滤光片23之间实现切换。

图5(A)至(B)分别示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备100的滤光片切换装置20的结构示意图。图6(A)至(F)分别示出了根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备100的滤光片的示意图。

如图5(A)至(B)所示，滤光片切换装置20设置在滤光片插口7的位置，例如可以为图5(A)所示的可旋转的滤光片切换装置20，其包括大致圆形的板和沿板的周向均匀分布的多个滤光片23、23’，板可旋转地安装至滤光片插口7中，每个滤光片23、23’可以具有不同的静态的视觉刺激图案和/或形状。在显示模组2中可以开设对应的窗口25以呈现滤光片23。

又例如，如图5(B)所示，滤光片切换装置20可以为可平移的滤光片切换装置20，其包括大致矩形的板和沿板的长度方向分布的多个滤光片23、23’，板可移动地安装至滤光片插口7中，每个滤光片23可以具有不同的静态的视觉刺激图案和/或形状。在显示模组2中也可以开设对应的窗口25呈现滤光片23。

如前所述，根据本公开至少一实施例的头戴式显示设备100可以采用插入式被动滤光片，通过光源显示控制器82控制耦合进入光纤61的光线的光强或颜色等，以获得静态图案高分辨率无电磁噪声显示，实现对精细静态图像的高分辨率无电磁噪声显示。

图6(A)至(F)示例性地示出了滤光片23的可选图案。图6(A)为辐射状排列的黑白间隔图案，图6(B)为E字母，图6(C)为图6(A)的局部黑白间隔图案，并且可以旋转设置在滤光片切换装置20中。图6(D)为图6(A)的另一局部黑白间隔图案，图6(E)为包括箭头和三角形的图案组合，图6(F)为黑色竖直线，并且可以平移设置在滤光片切换装置20中。这些视觉刺激诱发图案用于诱发特定类型的视觉活动，磁探测器检测大脑对于这些视觉刺激图案的反馈信号。

又例如，滤光片23也可以采用诸如液晶(LCD)之类的主动式滤光片。在该实施例中，头戴式显示设备100还可以包括LCD控制器(未示出)，其通过控制线束控制液晶屏所呈现的图案，以实现动态图案高分辨率低电磁噪声显示。

图3示出了根据本公开又一实施例的头戴式显示设备100的结构示意图。

在本实施例中，光纤61为多芯光纤，每束光纤对应一部分显示区域。如图3所示，在该实施例中，光纤61为四芯光纤，对应于2×2的显示区域。由光源发射的平行照明光线通过光源显示控制器82形成图像，光源显示控制器82具有对应于光纤芯数的显示区域，例如2×2的显示区域，光源显示控制器82可以控制显示区域内的每个子区域所要显示的图像及其亮度或颜色。经过光源显示控制器82处理后的光线经由光纤耦合器83耦合并进入光纤61中传输至显示模组2中，并直接投射或经滤光或整形后投射至显示屏幕，从而呈现给受试者的人眼，以获得动态图案低分辨率无电磁噪声显示。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的头戴式显示设备和磁探测系统的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型。此外，本发明提出的头戴式显示设备还可以可应用于医疗、教育、科研、娱乐等多领域。另外，也可以对本发明各个方面提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (20)

1.一种用于磁探测系统的头戴式显示设备，包括：

显示模组，配置为显示图像；和

光源模组，配置为产生光束，所述光源模组远离所述显示模组设置在所述磁探测系统的屏蔽环境之外，并且耦合至所述显示模组。

2.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述显示模组包括：

显示屏幕；和

至少一个滤光片，所述至少一个滤光片对所述光源模组产生的光束进行滤光并显示在所述显示屏幕上。

3.如权利要求2所述的头戴式显示设备，其中，所述显示模组包括：

多个滤光片，所述多个滤光片中的每个包括静态的视觉刺激图案。

4.如权利要求3所述的头戴式显示设备，其中，所述显示模组还包括：

滤光片切换装置，配置为切换所述多个滤光片中的至少两个滤光片。

5.如权利要求4所述的头戴式显示设备，其中，所述滤光片切换装置平移切换或旋转切换所述多个滤光片中的至少两个滤光片。

6.如权利要求2所述的头戴式显示设备，其中，所述滤光片为主动式滤光片，所述头戴式显示设备还包括控制器，配置为控制所述主动式滤光片的图案。

7.如权利要求6所述的头戴式显示设备，其中，所述滤光片为液晶片。

8.如权利要求2至7中任一项所述的头戴式显示设备，还包括：

支架，所述支架包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述显示模组容纳在所述第一表面和所述第二表面之间。

9.如权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述支架包括滤光片插口，配置为插入或更换所述滤光片。

10.如权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述第一表面设置有多个追踪标记点，用于设置在所述屏蔽环境内的追踪摄像头对所述头戴式显示设备的空间位置和朝向进行追踪。

11.如权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述支架还包括：

遮光罩，设置在所述支架的第二表面上，配置为在佩戴所述头戴式显示设备时贴合受试者的面部。

12.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述光源模组经由光纤耦合至所述显示模组，所述光纤包括入射端和出射端，所述入射端耦合至所述光源模组，所述出射端耦合至所述显示模组。

13.如权利要求12所述的头戴式显示设备，其中，所述光源模组包括：

光源；

光源显示控制器，配置为控制从所述光源出射的光束；和

光纤耦合器，配置为将所述光源显示控制器输出的光束耦合至所述光纤的入射端。

14.如权利要求12所述的头戴式显示设备，其中，所述光纤为单芯光纤。

15.如权利要求13所述的头戴式显示设备，其中，所述光纤为多芯光纤，所述光源显示控制器包括对应于光纤芯数的多个显示区域，所述光源显示控制器配置为控制所述多个显示区域内的每个所要显示的图像。

16.如权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述头戴式显示设备为AR眼镜或VR眼镜。

17.一种磁探测系统，包括如权利要求1至16中任一项所述的头戴式显示设备。

18.如权利要求17所述的磁探测系统，还包括：

磁屏蔽室，所述磁屏蔽室配置为在其中提供屏蔽环境，所述显示模组设置在所述磁屏蔽室内，所述光源模组设置在所述磁屏蔽室外。

19.如权利要求18所述的磁探测系统，其中，所述显示模组和所述光源模组经由波导管连接。

20.如权利要求18所述的磁探测系统，还包括：

追踪摄像头，设置在所述磁屏蔽室内，并且配置为对所述头戴式显示设备的空间位置和朝向进行追踪。