CN211824967U

CN211824967U - 双目近眼显示器虚像距离测量的系统

Info

Publication number: CN211824967U
Application number: CN202020535230.9U
Authority: CN
Inventors: 朱海超; 郭凯凯
Original assignee: Yutou Technology Hangzhou Co Ltd
Current assignee: Yutou Technology Hangzhou Co Ltd
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2030-04-13

Abstract

本实用新型涉及一种双目近眼显示器虚像距离测量的系统，包括，左目光路系统，包含第一挡光元件，所述第一挡光元件包含至少2个透光孔；右目光路系统，包含第二挡光元件，所述第二挡光元件包含至少2个透光孔；分光系统，用于接受来自所述左目光路系统和所述右目光路系统的虚像，并形成汇聚虚像；成像系统，用于接收所述汇聚虚像，并进行成像。基于本实用新型的测量系统，可以实现双目近眼显示器的两个虚像的一次成像，即可以同时对双目近眼显示器的两个VID距离进行测量，测量速度快、设备成本低，提升了用户体验。

Description

双目近眼显示器虚像距离测量的系统

技术领域

本实用新型涉及虚像距离测量技术领域，尤其涉及一种双目近眼显示器的虚像距离测量的系统。

背景技术

在近眼显示(NED)系统中，虚拟图像距离(VID)的测量仍然是一个严峻的挑战。传统方法将校准良好的摄像机镜头扫描到不同的焦点位置，在每个已知位置，它捕获虚拟图像的一个图像。通过分析捕获的图像序列，可以将VID识别为实现最高图像对比度的焦距。另一种方法是更改相机镜头的焦距，直到获得最佳对焦；在此焦距下，它沿轴向扫描了一个实物，直到获得最佳聚焦，真实物体和摄像机镜头之间的距离即被认为是VID。对于双目NED系统，通过传统方式需要通过移动测量设备或使用两组测量设备分别测量左目的VID和右目的VID，非常不方便。

综上，传统的VID测量系统至少具有以下缺点：(1)它们需要高精度的机械平台并且需要重新校准；(2)由于沿轴向进行多次图像采集和机械扫描，测量过程较慢；(3)对于双目近显示器来说，单个图像采集设备无法同时测量左目和右目的VID。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种双目近眼显示器虚像距离测量的系统，对机械扫描器件的精度要求低，测量过程中无需做机械扫描，仅需采集一幅图片，即可得到双目的虚像距离，测量时间短、测量精度高、且设备成本低。

根据本实用新型的一方面，提供了一种双目近眼显示器虚像距离测量的系统，包括左目光路系统，包含第一挡光元件，所述第一挡光元件包含至少2个透光孔；右目光路系统，包含第二挡光元件，所述第二挡光元件包含至少2个透光孔；分光系统，用于接受来自所述左目光路系统和所述右目光路系统的虚像，并形成汇聚虚像；成像系统，用于接收所述汇聚虚像，并进行成像。

进一步的，所述左目光路系统还包含与所述第一挡光元件沿同轴分布的第一透镜、第一反射镜，所述第一反射镜的反射面与所述第一透镜成第一预定角度，使得所述左目光路汇聚到所述分光系统；所述右目光路系统还包含与所述第二挡光元件同轴分布的第二透镜、第二反射镜，所述第二反射镜的反射面与所述第二透镜成第二预定角度，得所述右目光路汇聚到所述分光系统。

进一步的，所述第一挡光元件的至少2个透光孔的连线与所述第二挡光元件的两个透光孔的连线不平行。

进一步的，所述分光系统包括沿光轴设置的分光器及第三透镜。

进一步的，所述第一透镜、第二透镜分别和第三透镜形成光学4f系统。

进一步的，所述成像系统包括沿光轴设置的第三挡光元件、第四透镜以及成像传感器，所述第三挡光元件包含和所述第一挡光元件、所述第二挡光元件对应的多个透光孔。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，可以实现双目近眼显示器的两个虚像的一次成像，即可以同时对两个VID距离进行测量，测量速度快、设备成本低，提升了用户体验。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1是根据本实用新型的实施例的双目近眼显示器虚像距离测量设备的示意图；

图2是根据本实用新型的实施例的双目近眼显示器虚像距离测量设备的左目光路和右目光路的示意图；

图3是根据本实用新型的实施例的挡光元件的示意图；

图4是根据本实用新型的实施例的分光系统的示意图；

图5是根据本实用新型的实施例的测量原理的示意图；

图6是根据本实用新型的实施例的测量系统的成像的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的双目近眼显示器虚像距离测量的系统进行阐述。

如图1所示，示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的双目近眼显示器(双目NED)虚像距离测量设备的示意图。其中，双目NED包括左目 NED101和右目NED102。NED可以形成虚像，用来实现虚拟现实或增强现实的功能。虚像的成像距离为虚像的位置到成像元件的距离，在用户实际佩戴NED使用时，成像元件即可认为是人眼，虚像距离即为虚像到人眼晶状体的距离，因此虚像距离的大小对于显示效果来说非常重要。通常，在测试中，可以采用摄像头代替人眼对NED的虚像距离进行测试；此时，成像元件即为摄像头，虚像距离即为虚像到相机镜头的距离。NED101或NED102 至少包含显示装置、透镜，对于增强现实类的NED，则还需要包含光耦合装置,用来达到半透半返的视觉效果。在本实用新型的一个实施例中，双目NED 形成两个虚像，即左目虚像1和右目虚像2。

虚像1和虚像2分别通过左目光路201和右目光路202进入分光系统 300。在其中一个实施例中，如图2所示，左目光路201包括沿着光路分布的挡光元件2011、透镜2012和反射镜2013，右目光路包括沿着光路分布的挡光元件2021、透镜2022和反射镜2023。反射镜2013和2023和光路成一合适的角度，使得左目光路201和右目光路202用于将虚像1和虚像2 在通过档光元件2011和挡光元件2021之后送入分光系统。

其中，挡光元件2011、2021包括至少2个透光孔。在其中一个实施例中，如图3所示，挡光元件2011包括以光轴中心对称分布的两个透光孔，挡光元件2021同样包括两个以光轴中心对称分布的透光孔，挡光元件2011 和2021的透光孔的大小分布可以一致或不一致。在一个优选的实施例中，挡光元件2011和2021的在透光孔的连线取向上互相垂直，即图3中的a 轴和b轴互相垂直，从而在后续的图像分析的时候提高准确性。挡光元件上的每个透光孔的大小和距离由成像系统的图像传感器的信噪比(SNR)和景深(depth-of-field)确定，即透光孔的大小和之间的距离需保证透过透光孔的光能够被成像系统收集即可。在符合前述的限制下，透光孔之间的距离可以设置到最大，以获得最佳的分辨率。

分光系统300用于将左目光路和右目光路进行汇聚成一束光路，并引入成像系统400。在一个实施例中，如图4所示，分光系统300可以包括沿光轴设置的分光器301(beamsplitter)和透镜302。在一个实施例中，透镜2012和透镜302形成4f光学系统，透镜2022和透镜302也形成4f 光学系统，使得在挡光元件2011、2021上的成像和在成像系统400上的成像的放大倍数一致。

成像系统400包括沿光轴分布的挡光元件401、相机透镜402、图像传感器403。挡光元件401设置于相机透镜402的入瞳位置，即挡光元件401 和相机透镜402的距离设置为相机透镜402的焦距f。换句话说，挡光元件 401位于相机透镜402的焦平面上。相机透镜402和图像传感器403之间的距离设定为D1，D1可以调整，以改变相机的清晰成像位置A，设清晰成像位置A到相机透镜402的距离为D3，则D3＝1/(1/f–1/D1)。清晰成像位置 A的定义为，当虚像在成像位置A上之时，在图像传感器上只能观测到一个清晰的虚像。

为了进一步解释本实用新型的测量虚像距离的原理，将左目虚像的完整光路图简化。其中由于透镜2012和透镜302形成4f系统，实质上可以认为挡光元件2011和挡光元件401之间的光路可以省略掉,最终简化后的光路图如图5所示。D1为相机透镜402到图像传感器403的距离，D2为挡光元件401和相机透镜402的距离，根据之前的定义，D2＝f。D3为相机的清晰成像位置A到相机透镜402的距离，即，若被测虚像位于A位置时，虚像在图像传感器403上只有一个清晰的像。D_L为被测虚像位置与相机透镜 402的距离，若挡光元件401有2个透光孔，则被测虚像在图像传感器403 上出现两个虚像，且虚像之间的偏移距离为S_L。由于S_L和D_L存在定量的关系，可以通过仪器标定的方式来计算出此定量关系，因此当S_L已知时，则可以获得D_L的值。右目虚像的光路图在原理上一致，在此不再赘述。

在一个实施例中，如图6(a)所示，左目的虚像图像的螃蟹，在通过根据本实用新型的一个实施例的测量系统的左目光路后，在成像系统上呈现出两个螃蟹的像，且两个螃蟹的之间的距离为S_L。其中虚像距离D_l的计算公式为D_L＝1/(a_l*S_l+b_l),其中a_l和b_l为系数。同理，如图6(b)所示，右目的虚像图像的鱿鱼，在通过根据本实用新型的一个实施例的测量系统的右目光路后，在成像系统上呈现出两个鱿鱼的像，且两个鱿鱼之间的距离为S_r。其中虚像距离D_r的计算公式为D_r＝1/(a_r*S_r+b_r),其中a_r和b_r为系数。由于挡光元件2021和2022上透光孔的取向的不同，因此在成像系统上，两只螃蟹的偏移距离SL在水平方向上，而两只鱿鱼的偏移距离SR在垂直方向上。根据本实用新型的一个或多个实施例，通过分光系统将左目光路和右目光路的虚像一起汇聚到成像系统上，可以一次性在成像系统上形成4个像，如图6(c)所示。由此，可以通过一次成像获得左目虚像和右目虚像的信息，可以一次计算而得到双目近眼显示器中的两个虚像的成像距离。S_r或 D_L的距离的测量可以通过图像识别或手工测量的方式进行获得，在本实用新型中不再赘述。在一些实施例中，可以对左目和右目的像施加不同的颜色，例如可以将螃蟹设置为红色，将鱿鱼设置为绿色，可以提高虚像偏移距离计算的准确性。

在一些替代的实施方式中，挡光元件2011和2021上可以设置3个或以上等间距的透光孔，则在成像系统上可以形成3个或以上等间距的虚像。此外，挡光元件2011和2021上的透光孔连线的曲线可以成30°、60°或其他角度。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种双目近眼显示器虚像距离测量的系统，包括，

左目光路系统，包含第一挡光元件，所述第一挡光元件包含至少2个透光孔；

右目光路系统，包含第二挡光元件，所述第二挡光元件包含至少2个透光孔；

分光系统，用于接受来自所述左目光路系统和所述右目光路系统的虚像，并形成汇聚虚像；

成像系统，用于接收所述汇聚虚像，并进行成像。

2.根据权利要求1所述的双目近眼显示器虚像距离测量的系统，其中

所述左目光路系统还包含与所述第一挡光元件沿同轴分布的第一透镜、第一反射镜，所述第一反射镜的反射面与所述第一透镜成第一预定角度，使得所述左目光路汇聚到所述分光系统；

所述右目光路系统还包含与所述第二挡光元件同轴分布的第二透镜、第二反射镜，所述第二反射镜的反射面与所述第二透镜成第二预定角度，得所述右目光路汇聚到所述分光系统。

3.根据权利要求2所述的双目近眼显示器虚像距离测量的系统，

所述第一挡光元件的至少2个透光孔的连线与所述第二挡光元件的两个透光孔的连线不平行。

4.根据权利要求2所述的双目近眼显示器虚像距离测量的系统，其中

所述分光系统包括沿光轴设置的分光器及第三透镜。

5.根据权利要求1所述的双目近眼显示器虚像距离测量的系统，其中

所述成像系统包括沿光轴设置的第三挡光元件、第四透镜以及成像传感器，所述第三挡光元件包含和所述第一挡光元件、所述第二挡光元件对应的多个透光孔。

6.根据权利要求4所述的双目近眼显示器虚像距离测量的系统，其中

所述第一透镜、第二透镜分别和第三透镜形成光学4f系统。