CN218273337U - 头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种头戴式显示设备，涉及头显设备技术领域。头戴式显示设备包括：壳体、显示模组、透镜模组、图像采集模块、红外模块和虹膜识别模块；透镜模组内具有折叠光路，透镜模组位于显示模组和眼部之间；图像采集模块位于显示模组和透镜模组之间的边缘区域，红外模块位于透镜模组和眼部之间，并朝向眼部照射红外光；图像采集模块用于接收眼部反射后逆向穿过透镜模组的折叠光路的红外光，以形成眼部图像；虹膜识别模块与图像采集模块电性连接，并接收眼部图像。本公开的头戴式显示设备，能够提升眼部图像的图像质量和特征还原程度，实现快速、安全和快捷的虹膜识别。

Description

头戴式显示设备

技术领域

本公开涉及头显设备技术领域，特别涉及一种头戴式显示设备。

背景技术

随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等技术的发展，以及元宇宙概念的出现，头戴式显示设备(Head Mounted Display，HMD)也逐渐进入大众视野，而在这一新的设备形态下，如何能够快速完成用户身份识别对用户使用此类产品的关键体验指标。

当使用者使用头戴式显示设备时，处于一个视觉封闭的环境内，常规的身份识别技术就不在适用或难以使用，因而需要一种快速、安全、便捷的身份识别技术应用于头戴式显示设备。

实用新型内容

本公开提供了一种头戴式显示设备，能够实现快速、安全、便捷的身份识别。

所述技术方案如下：

一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括：壳体、显示模组、透镜模组、图像采集模块、红外模块和虹膜识别模块；

所述显示模组和所述透镜模组分别位于所述壳体内，所述显示模组的显示方向与佩戴者眼部的位置对应，所述透镜模组内具有折叠光路，所述透镜模组位于所述显示模组和所述眼部之间；

所述图像采集模块位于所述显示模组和所述透镜模组之间的边缘区域，所述红外模块位于所述透镜模组和所述眼部之间，并朝向所述眼部照射红外光；

所述图像采集模块用于接收所述眼部反射后逆向穿过所述透镜模组的折叠光路的红外光，以形成眼部图像；

所述虹膜识别模块与所述图像采集模块电性连接，并接收所述眼部图像。

本公开提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本公开的头戴式显示设备，利用透镜模组的折叠光路结构延长图像采集模块的光路，使得图像采集模块的等效位置远离眼部，以较小的偏转角度，贴近于垂直的角度实现对眼部图像的采集，提升眼部图像的图像质量和特征还原程度，实现快速、安全和快捷的虹膜识别。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的头戴式显示设备的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的头戴式显示设备的结构逻辑图；

图3是本公开实施例提供的头戴式显示设备的光路结构示意图；

图4是本公开实施例提供的图像采集模块的等效位置示意图。

图中的附图标记分别表示为：

001、眼部；

1、壳体；

2、显示模组；

3、透镜模组；

31、半透半反层；32、第二相位延时层；33、第二偏振反射层；

34、第一透镜；341、第一表面；342、第二表面；35、第二透镜；351、第三表面；352、第四表面；

4、图像采集模块；41、红外相机；42、第一偏振反射层；43、第一相位延时层；

5、红外模块；51、红外灯；

6、虹膜识别模块；

7、眼球运动定位模块。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

本公开涉及的技术术语包括：眼动运动定位，或称眼球追踪、注视点追踪、眼动追踪，是利用传感器捕获、提取眼球特征信息，测量眼睛的运动情况，估计视线方向或眼睛注视点位置的技术。

眼动运动定位能够实现用眼睛操控电脑等电子设备，通过捕捉用户的眼球运动轨迹，精准算出用户的目光到底停留在设备屏幕的哪一块区域，进而实现控制滚动屏幕、浏览网页和玩游戏等操作。

虹膜识别技术(Iris recognition technology)是基于眼睛中的虹膜进行身份识别，是人体生物识别技术的一种。人的眼睛结构由巩膜、虹膜、瞳孔﹑晶状体、视网膜等部分组成。虹膜是位于黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，其包含有很多相互交错的斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等的细节特征。而且虹膜在胎儿发育阶段形成后，在整个生命历程中将是保持不变的。这些特征决定了虹膜特征的唯一性，同时也决定了身份识别的唯一性。因此，可以将眼睛的虹膜特征作为每个人的身份识别对象。

除非另有定义，本公开实施例所用的所有技术术语均具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。

VR眼镜即VR头显，是目前最为流向的头戴式显示设备。VR头显将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。

相关技术中，VR头显利用红外摄像头实现眼动运动定位和虹膜身份识别，但是随着VR设备的轻薄化发展，pancake成为一种主流的光学架构模式，由于紧凑的光路，摄像头往往只能放在镜体的边缘位置。

这样虽然不会影响用户的视觉体验，但是摄像头由于位置关系无法得到眼部的正面图像，并且由于人体眼球角膜晶状体的产生折射，使得摄像头无法获得对侧的眼部图像，这种导致眼部信息，例如虹膜信息的缺少，使得眼动运动定位和虹膜识别的准确性和识别效率较低。

因此，本公开提供了一种头戴式显示设备，图像采集模块以较小的偏转角度，贴近于垂直的角度实现对眼部图像的采集，提升眼部图像的图像质量和特征还原程度，实现快速、安全和快捷的虹膜识别。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的头戴式显示设备的结构示意图；图2是本公开实施例提供的头戴式显示设备的结构逻辑图；图3是本公开实施例提供的头戴式显示设备的光路结构示意图；图4是本公开实施例提供的图像采集模块4的等效位置示意图。

结合图1-4所示，本实施例提供了一种头戴式显示设备，头戴式显示设备包括：壳体1、显示模组2、透镜模组3、图像采集模块4、红外模块5和虹膜识别模块6。

显示模组2和透镜模组3分别位于壳体1内，显示模组2的显示方向与佩戴者眼部001的位置对应，透镜模组3内具有折叠光路结构，透镜模组3位于显示模组2和眼部001之间。

图像采集模块4位于显示模组2和透镜模组3之间的边缘区域，红外模块5位于透镜模组3和眼部001之间，并朝向眼部001照射红外光，图像采集模块4用于接收眼部001反射后穿过透镜模组3的折叠光路结构的红外光，以形成眼部图像。

虹膜识别模块6与图像采集模块4电性连接，并接收眼部图像。

本实施例的头戴式显示设备，利用透镜模组3的折叠光路结构延长图像采集模块4的光路，使得图像采集模块4的等效位置远离眼部001，以较小的偏转角度，贴近于垂直的角度实现对眼部图像的采集，提升眼部图像的图像质量和特征还原程度，实现快速、安全和快捷的虹膜识别。

人体眼部001因为角膜层下前房内包含大量液体(超过96％)，当光线射入角膜后，由于角膜本身的曲率会形成一定的折射角度，光线通过角膜层进入前房液后发生第二次折射，红外线被眼球内虹膜组织吸收或反射，反射光线再通过前房液发生第三次折射，最后穿过角膜层，发生第四次折射，由于角膜层曲率问题，光线会无法传递到特定角度，因此摄像头感光元件无法得到相应灰度信息。基于此种情况，由于多次折射在较大的角度位置会出现偏差较大的虚像，其虹膜特征信息会与虹膜正视图所呈现的生物特征信息的位置坐标有明显差异，因而不能很好的做为识别作用。

相关技术中，通常将摄像头布置在透镜模组3的后端(以显示模组2的出光方向为基准，透镜模组3的前端对应显示模组2，后端对应佩戴者眼部001)，且位于透镜模组3的镜筒周围，为避免被眼部001生理结构遮挡视场，摆放角度较大，只能以较大的偏转角进行眼部图像采集，导致眼部图像(例如虹膜图像)的质量和缺失也进一步加大和劣化，从而会明显牺牲识别准确性，并进一步抬升算法的难度。

并且为节约整个系统功耗和算力占用，当较大倾斜角度时，摄像头中大量的传感器分辨率会被浪费，无法尽可能有效的使用在虹膜识别上，造成了较为明显的浪费，并且倾斜角度较大时，图像本身的变形也会在后续虹膜识别及身份比对中带来困难。

本实施例的头戴式显示设备，图像采集模块4位于透镜模组3的前端；图像采集模块4接收的光线在透镜模组3内逆向传递，经过透镜模组3的折叠光路结构，其等效光路要远大于实际距离，从而保证在不需要提升光学放大倍率和不牺牲边缘变形的情况下得到较好的图像显示质量。

本实施例中增加光路长度的可以通过变相延长光路，实现图像采集模块4可以以更小的倾斜角度采集到眼部001的虹膜信息，从而提升虹膜信息的采集准确性，同时因为夹角较小也能减少角膜及前房对光线折射带来的图像质量劣化的问题。

结合图3所示，在一些实施例中，图像采集模块4包括红外相机41、第一偏振反射层42(Reflecting polarizer)和第一相位延时层43(Quarter waveplate)；第一相位延时层43、第一偏振反射层42分别位于红外相机41的进光端，并沿红外相机41的进光方向依次叠置。其中，第一相位延时层43可选地采用四分之一波长相位延时片。

由于沿透镜模组3的折叠光路结构逆向传递的红外光线具有偏振特性关系，因此，需要在红外相机41之前增加相应的第一相位延时层43和第一偏振反射层42，从而使得红外光顺利进入红外相机41，进而实现成像。

结合图3所示，在一些实施例中，透镜模组3包括至少一个半透半反层31(Half-mirrorlens)、至少一个第二相位延时层32和至少一个第二偏振反射层33，至少一个半透半反层31、至少一个第二相位延时层32和至少一个第二偏振反射层33沿显示模组2的出光方向依次布置形成上述折叠光路结构；图像采集模块4位于至少一个半透半反层31靠近显示模组2的一侧。其中，第二相位延时层32可选地采用四分之一波长相位延时片。

本实施例的折叠光路以偏振光原理为基础，利用偏振反射层对于不同偏振光选择性反射和投射的特性，配合四分之一相位延时层调整偏振光形态，实现光线在半透半反层31和偏振反射层之间的来回反射，并最终从偏振反射层透射出去。

参考图3中左侧光路，显示模组2发出的圆偏振光在通过四分之一波长相位延时层后变为线偏振光到达偏振反射层并被反射，接着第二次通过四分之一波长相位延时片变回圆偏振光被半透半反层31反射，并第三次通过四分之一波长相位延时层，再次变为线偏振光，因为本次相比第一次光线的偏振方向旋转90°，得以通过偏振反射层到达眼部001，完成成像。

结合图3所示，在一些实施例中，透镜模组3还包括第一透镜34和第二透镜35；第一透镜34和第二透镜35沿显示模组2的出光方向依次布置；第一透镜34朝向显示模组2的第一表面341为凸面，背离显示模组2的第二表面342为平面，第二透镜35朝向显示模组2的第三表面351为凸面，背离显示模组2的第四表面352为凹面。

进一步的，第一表面341设有半透半反层31，第二表面342设有第二相位延时层32，第三表面351设有第二偏振反射层33。

从而本实施例的透镜模组3能够对显示模组2发出的光线进行多次折叠，增加光路长度，压缩了模组厚度，提升了用户的舒适度和沉浸感。

在另一些可能的实现方式中，半透半反层31、第二相位延时层32和第二偏振反射层33的相对间距可调，从而透镜模组3具有可变焦距，能满足近视用户需求，并能解决视觉辐辏调节冲突现象。示例性地，第一透镜34活动连接，并能沿显示模组2的出光方向移动。

参考图3中右侧光路，红外模块5的多个红外灯51沿透镜模组3周圈摆放，并以一定夹角及视角对眼部001进行补光，光线在眼球中发生相应的折射及反射，并向透镜模组3传递，包含虹膜特征光学信息的红外光线，沿第四表面352穿过第二透镜35，并在第二偏振反射层33的限制下，变成偏振光，接着第一次穿过第二相位延时层32(四分之一波片quarterwave plate)，变成圆偏振光，在经过半透半反层31后，一半穿透，但由于偏振方向不对，则无法进入红外相机41，另一半发生反射。反射光线再次经过第二相位延时层32，变成垂直于第一次偏振方向的偏振光，则被第二偏振反射层33反射回来，再次穿过第二相位延时层32变成圆偏振光，并在此穿过半透半反层31，由于偏振方向对应这部分红外光线穿过第一相位延时层43和第一偏振反射层42进入红外相机41，从而可以被红外相机41捕捉，进而成像。

结合图1所示，在一些实施例中，红外模块5包括至少两个红外灯51，至少两个红外灯51分别沿不同角度进行补光。

示例性地，红外灯51的数量，例如为两个、三个、四个等等，多个红外灯51能够对眼部001进行均匀补光。可选地，红外灯51沿佩戴者的眼部001周向均匀布置，能够对眼部001进行均匀的补光。

结合图2所示，在一些实施例中，显示模组2与虹膜识别模块6电性连接，显示模组2根据虹膜识别模块6输出的虹膜认证结果调整工作状态。可选地，显示模组2的工作状态包括但不限于点亮、熄屏等等。

利用虹膜识别模块6能够进行佩戴者的身份识别，能够实现头戴式显示设备的设备锁、网络账户登陆、金融支付等安全应用。

在一些实施例中，头戴式显示设备还包括眼球运动定位模块7；眼球运动定位模块7与图像采集模块4电性连接，并接收眼部图像。示例性地，显示模组2与眼球运动定位模块7电性连接，显示模组2根据眼球运动定位模块7输出的眼球移动轨迹调整显示效果。

利用眼球运动定位模块7能够识别眼球移动轨迹，从而实现对显示模组2的显示控制和焦点调节，在不影响用户视觉体验的前提下，可以采集到眼睛的移动状态，并通过眼球模型还原找到用户在显示区域内注视的区域及远近状态，从而优化显示效果达到体验和硬件性能上的良好平衡，提升用户的舒适度和沉浸感。

在一些实施例中，头戴式显示设备还包括供电模块(图中未示出)，供电模块与第一图像采集模块4、第二图像采集模块4、红外模块5、眼球运动定位模块7和虹膜识别模块6中的至少之一供电连接。

在另一些可能的实现方式中，眼球运动定位模块7和虹膜识别模块6位于壳体1内部。示例性地，壳体1包括前部和侧部，前部用于容纳显示模组2和透镜模组3，侧部用于容纳眼球运动定位模块7和虹膜识别模块6。

在一些可能的实现方式中，显示模组可包括显示面板，可选的，可以采用液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等形式来配置显示面板。

在一些可能的实现方式中，显示面板的结构具有多种形式。

示例性地，显示面板10包括依次层叠设置的基板、有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)层、薄膜封装(Thin Film Encapsulation，TFE)层。

另一示例性地，显示面板包括依次层叠设置的基板、薄膜晶体管(Thin FilmTransistor，TFT)层、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)层、薄膜封装(Thin Film Encapsulation，TFE)层、触控层以及偏光片。

需要说明的是，显示面板的层结构不限于上述列举的两种结构形式，在满足折叠显示需要的情况下，显示面板还可以采用其他层结构形式。

需要指出的是，在本文中提及的“若干个”、“至少一个”是指一个或者多个，“多个”、“至少两个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

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公开的至少一个实施方式或示例中。

以上所述仅为本公开的实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备包括：壳体(1)、显示模组(2)、透镜模组(3)、图像采集模块(4)、红外模块(5)和虹膜识别模块(6)；

所述显示模组(2)和所述透镜模组(3)分别位于所述壳体(1)内，所述显示模组(2)的显示方向与佩戴者眼部(001)的位置对应，所述透镜模组(3)内具有折叠光路结构，所述透镜模组(3)位于所述显示模组(2)和所述眼部(001)之间；

所述图像采集模块(4)位于所述显示模组(2)和所述透镜模组(3)之间的边缘区域，所述红外模块(5)位于所述透镜模组(3)和所述眼部(001)之间，并朝向所述眼部(001)照射红外光；

所述图像采集模块(4)用于接收所述眼部(001)反射后逆向穿过所述透镜模组(3)的折叠光路结构的红外光，以形成眼部图像；

所述虹膜识别模块(6)与所述图像采集模块(4)电性连接，并接收所述眼部图像。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述图像采集模块(4)包括红外相机(41)、第一偏振反射层(42)和第一相位延时层(43)；

所述第一相位延时层(43)、所述第一偏振反射层(42)分别位于所述红外相机(41)的进光端，并沿所述红外相机(41)的进光方向依次叠置。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述透镜模组(3)包括至少一个半透半反层(31)、至少一个第二相位延时层(32)和至少一个第二偏振反射层(33)，所述至少一个半透半反层(31)、所述至少一个第二相位延时层(32)和所述至少一个第二偏振反射层(33)沿所述显示模组(2)的出光方向依次布置形成所述折叠光路结构；

所述图像采集模块(4)位于所述至少一个半透半反层(31)靠近所述显示模组(2)的一侧。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述透镜模组(3)还包括第一透镜(34)和第二透镜(35)；

所述第一透镜(34)和所述第二透镜(35)沿所述显示模组(2)的出光方向依次布置；

所述第一透镜(34)朝向所述显示模组(2)的第一表面(341)为凸面，背离所述显示模组(2)的第二表面(342)为平面，所述第二透镜(35)朝向所述显示模组(2)的第三表面(351)为凸面，背离所述显示模组(2)的第四表面(352)为凹面。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一表面(341)设有所述半透半反层(31)，所述第二表面(342)设有所述第二相位延时层(32)，所述第三表面(351)设有所述第二偏振反射层(33)。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述红外模块(5)包括至少两个红外灯(51)，所述至少两个红外灯(51)分别沿不同角度进行补光。

7.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述显示模组(2)与所述虹膜识别模块(6)电性连接，所述显示模组(2)根据所述虹膜识别模块(6)输出的虹膜认证结果调整工作状态。

8.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备还包括眼球运动定位模块(7)；

所述眼球运动定位模块(7)与所述图像采集模块(4)电性连接，并接收所述眼部图像。

9.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述显示模组(2)与所述眼球运动定位模块(7)电性连接，所述显示模组(2)根据所述眼球运动定位模块(7)输出的眼球移动轨迹调整显示效果。

10.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备还包括供电模块，所述供电模块与所述图像采集模块(4)、所述红外模块(5)和所述虹膜识别模块(6)的至少之一供电连接。

Images