CN219066130U - 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，属于光学技术领域。头戴式显示设备包括显示器件、透镜组件、红外补光灯和红外摄像头。透镜组件位于显示器件的可见光出射光路上，且位于红外补光灯的红外光出射光路上。透镜组件用于将显示器件发出的可见光聚焦至眼球区域，且用于将红外补光灯发出的红外光反射并聚焦至眼球区域。红外摄像头用于采集眼球图像。本公开提供的头戴式显示设备中，红外补光灯不直接向眼球发射红外光，而是向透镜组件发射红外光，并由透镜组件将红外光反射并聚焦至眼球区域，以此实现红外补光灯的反射光斑可以落在瞳孔的位置，不会对虹膜特征造成侵蚀，从而保证头戴式显示设备能够准确识别用户身份。

Description

头戴式显示设备

技术领域

本公开涉及光学技术领域，特别涉及一种头戴式显示设备。

背景技术

用户使用头戴式显示设备，如VR(Virtual Reality，虚拟现实)设备时，头戴式显示设备可采集用户眼球的图像，通过识别虹膜来对确认用户的身份。但由于眼球处于一个视觉封闭的环境内，需要红外补光灯为用户的眼球补光。

相关技术中，为了避免红外补光灯遮挡用户的视线，当用户佩戴头戴式显示设备时，红外补光灯一般位于眼球的侧部，红外补光灯发出的光从侧向入射至眼球。

然而，由于红外补光灯发出的光从侧向入射至眼球，所以，眼球晶体反射的光线较多，光斑易落在虹膜上，对虹膜特征造成侵蚀，导致难以识别用户的身份。

实用新型内容

本公开提供了一种头戴式显示设备，能够解决相关技术中存在的技术问题，所述头戴式显示设备的技术方案如下：

本公开提供了一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括显示器件、透镜组件、红外补光灯和红外摄像头；

所述透镜组件位于所述显示器件的可见光出射光路上，且位于所述红外补光灯的红外光出射光路上；

所述透镜组件用于将所述显示器件发出的可见光聚焦至眼球区域，且用于将所述红外补光灯发出的红外光反射并聚焦至所述眼球区域；

所述红外摄像头用于采集眼球图像。

在一种可能的实现方式中，所述透镜组件包括pancake透镜组和红外反射膜；

所述红外反射膜与所述pancake透镜组靠近所述显示器件的一侧贴合，且位于所述红外补光灯的红外光出射光路上，所述红外反射膜用于反射红外光且透射可见光。

在一种可能的实现方式中，所述pancake透镜组包括第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜靠近所述显示器件的一侧与所述红外反射膜贴合；

所述红外补光灯位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，且所述第一透镜位于所述红外补光灯的红外光出射光路上。

在一种可能的实现方式中，所述第一透镜靠近所述第二透镜的一侧设置有第一1/4相位延迟片，所述第二透镜靠近所述第一透镜的一侧设置有偏振片；

所述红外补光灯位于所述第一1/4相位延迟片和所述偏振片之间。

在一种可能的实现方式中，所述第一透镜靠近所述显示器件的一侧设置有第一1/4相位延迟片，且所述第一1/4相位延迟片位于所述第一透镜和所述红外反射膜之间，所述第二透镜靠近所述第一透镜的一侧设置有偏振片；

所述红外补光灯位于所述第一透镜和偏振片之间。

在一种可能的实现方式中，所述第一透镜靠近所述显示器件的一侧为凸面。

在一种可能的实现方式中，所述第二透镜靠近所述第一透镜的一侧为凸面。

在一种可能的实现方式中，所述红外补光灯与所述第一透镜的边缘区域相对。

在一种可能的实现方式中，所述红外补光灯呈环状，且固定在所述第一透镜和所述第二透镜之间。

在一种可能的实现方式中，所述头戴式显示设备为VR(Virtual Reality，虚拟现实)设备。

本公开提供的技术方案至少包括以下有益效果：

本公开提供了一种头戴式显示设备，在该头戴式显示设备中，红外补光灯不直接向眼球发射红外光而是向透镜组件发射红外光，透镜组件能够将红外光反射并聚焦至显示部件的可见光所聚焦的眼球区域，从而使得红外光对眼球的入射的角度较小，以此实现红外补光灯的反射光斑可以落在瞳孔的位置，不会对虹膜特征造成侵蚀，从而保证头戴式显示设备能够准确识别用户身份。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：

图1是相关技术中头戴式显示设备的补光示意图；

图2是相关技术中头戴式显示设备采集的眼球图像示意图；

图3是本公开实施例示出的一种头戴式显示设备的补光示意图；

图4是本公开实施例示出的一种头戴式显示设备的补光示意图；

图5是本公开实施例示出的一种头戴式显示设备采集的眼球图形示意图；

图6是本公开实施例示出的一种红外补光灯的示意图。

图例说明：

1、显示器件，11、显示器件主体，12、第二1/4相位延迟片；

2、透镜组件，21、pancake透镜组，211、第一透镜，212、第二透镜，213、第一1/4相位延迟片，214、偏振片，22、红外反射膜；

3、红外补光灯，31、印刷电路板31，31、补光灯珠；

4、红外摄像头；

100、眼球，101、虹膜，102、瞳孔；

200、光斑；

I、主光轴。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

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的详细描述。

本公开的实施方式部分使用的术语仅用于对本公开的实施例进行解释，而非旨在限定本公开。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公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”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”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并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，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

随着VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术的发展，头戴式显示设备的应用范围越来越广泛，可用于观影、游戏、购物等领域。对于头戴式显示设备来说，如何能够快速完成用户身份识别成为一个非常关键的体验指标。由于眼球处于一个视觉封闭的环境内，需要红外补光灯为用户的眼球补光。

然而，为了避免红外摄像头4和红外补光灯3遮挡用户视线，以及，对头戴式显示设备体积和整机重量的要求越来越高，导致红外摄像头4与红外补光灯3摆放位置受限，如图1所示，红外摄像头4与红外补光灯3只能摆放在眼球100周围，这使得红外摄像头4与主光轴I间的夹角较大，导致红外摄像头4很难得到眼球100的正视图，故很难采集到整个虹膜101区域清晰完整的图像，从而虹膜身份识别能力带来了巨大的挑战。

如图1所示，为保证整个眼球100部分补光均匀，一般会采用对角线对称照明的方式布置多个红外补光灯3，因此在图像表现为眼球100上就会有若干个反射光斑200存在。如图2所示，在眼球100移动或不同用户佩戴的情况下，可能光斑200就会落在虹膜101上，对虹膜101特征造成侵蚀，此次的虹膜101特征就会被光斑200掩盖。

鉴于上述技术问题，本公开实施例提供了一种头戴式显示设备，该头戴式显示设备能够采集眼球100图像，且眼球100图像中的虹膜101特征清晰完整，有利于进行身份识别。下面，对本公开实施例提供的头戴式显示设备进行示例性说明：

如图3和图4所示，头戴式显示设备包括显示部件1、透镜组件2、红外补光灯3和红外摄像头4。透镜组件2位于显示部件1的可见光出射光路上，且位于红外补光灯3的红外光出射光路上。透镜组件2用于将显示部件1发出的可见光聚焦至眼球区域，且用于将红外补光灯3发出的红外光反射并聚焦至眼球区域。红外摄像头4用于采集眼球图像。

本公开实施例提供的头戴式显示设备中的红外补光灯3不直接向眼球发射红外光，而是向透镜组件2发射红外光。透镜组件2能够将红外补光灯3发出的红外光反射并聚焦至显示部件1的可见光所聚焦的眼球区域，使得红外光对眼球的入射角度较小。从而，如图5所示，红外补光灯3的反射光斑200可以落在瞳孔102的位置，而不会对虹膜101特征造成侵蚀，保证头戴式显示设备能够准确识别用户身份。

另外，红外摄像头4还能够通过高帧率采集眼球图像来感知用户视线的变化，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，给用户带来身临其境的体验。

需要说明的是，本公开实施例头戴式显示设备还包括控制器，控制器用于基于红外摄像头4采集到的眼球图像中的虹膜特征进行身份识别，并基于眼球图像确定人眼所注视的区域，以及人眼的移动轨迹。

下面，对透镜组件2的结构，以及，透镜组件2将红外补光灯3的红外光反射并聚焦至眼球区域的原理进行示例性说明：

在一些示例中，如图3和图4所示，透镜组件2包括pancake(超短焦光学方案)透镜组21和红外反射膜22。红外反射膜22与pancake透镜组21靠近显示器件1的一侧贴合，且位于红外补光灯3的红外光出射光路上。

其中，pancake透镜组21所需要占用的体积较小且重量较小，因此，采用pancake透镜组21的头戴式显示设备的体积小，重量低。pancake透镜组21的光路设计原理是希望通过将光路通过多次反射来实现折叠，在一个较短的空间距离上实现一个较长的等效光学路径，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。pancake透镜组21能够将显示器件1发出的可见光聚焦至眼球区域。

红外反射膜22用于透射可见光(波段在780nm以下的光)，因此，红外反射膜22的存在不会影响pancake透镜组21原有的作用，也即，不会影响pancake透镜组21将显示器件1发出的可见光聚焦至眼球区域，不会影响头戴式显示设备的成像。

同时，红外反射膜22用于反射红外光(波段在780nm以上的光)，因此，当红外补光灯3的发出的光入射至红外反射膜22处时，红外反射膜22能够将红外光反射至pancake透镜组21中，则pancake透镜组21能够将红外光按照可见光的光路聚焦至眼球区域。从而，与红外补光灯3直接向眼球发射红外光相比，降低了红外光入射眼球的入射角度，有利于光斑落在眼球的瞳孔处，从而，降低了光斑对虹膜的侵蚀，有利于基于虹膜特征进行身份识别。

本公开实施例对红外反射膜22在pancake透镜组21上的设置方式不作限定，在一些示例中，红外反射膜22通过溅射镀膜技术镀在pancake透镜组21上。在另一些示例中，红外反射膜22通过贴膜工艺贴附在pancake透镜组21上。

下面，对pancake透镜组21进行示例性说明：

在一些示例中，如图3和图4所示，pancake透镜组21包括第一透镜211和第二透镜212，第一透镜211靠近显示器件1的一侧与红外反射膜22贴合。红外补光灯3位于第一透镜211和第二透镜212之间，且第一透镜211位于红外补光灯3的红外光出射光路上。

其中，第一透镜211靠近显示器件1的一侧为凸面，用于将可见光和红外光聚集至第二透镜212。第一透镜211可以为半透半反镜(Half-mirror polarizer)。

第二透镜212靠近第一透镜211的一侧为凸面，用于将可见光和红外光聚集至眼球区域。

红外补光灯3朝向第一透镜211发射红外光，当红外光入射至红外反射膜22时，红外反射膜22将红外光反射回第一透镜211，再经第一透镜211和第二透镜212聚焦至眼球区域。

在一些示例中，如图3所示，第一透镜211靠近第二透镜212的一侧设置有第一1/4相位延迟片(Quarter waveplate)213，第二透镜212靠近第一透镜211的一侧设置有偏振片(Reflecting polarizer)214。红外补光灯3位于第一1/4相位延迟片213和偏振片214之间。

在另一些示例中，如图4所示，第一透镜211靠近显示器件1的一侧设置有第一1/4相位延迟片213，且第一1/4相位延迟片213位于所述第一透镜211和红外反射膜22之间，第二透镜212靠近第一透镜211的一侧设置有偏振片214。红外补光灯3位于所述第一透镜211和偏振片214之间。

其中，第一1/4相位延迟片213用于改变红外光的偏振方向，使得红外光的偏振方向与偏振片214的偏振方向相同。第一1/4相位延迟片213可以贴附在第一透镜211上，也可以镀覆在第一透镜211上。

偏振片214用于反射与其自身偏振方向不同的可见光和红外光，当可见光和红外光与偏振片214的偏振方向相同时，可见光和红外光能够穿透偏振片214，当可见光和红外光与偏振片214的偏振方向不同时，可见光和红外光被反射。

下面，结合图3和图4，对显示器件1的可见光光路和红外补光灯3的补光光路进行示例性说明：

可见光光路：显示器件1出射的可见光为圆偏振光，圆偏振光穿过第一透镜211后，第一次穿透第一1/4相位延迟片213后变为线偏振光a，但由于线偏振光a与偏振片214的偏振方向不同，因此被反射至第一透镜211，再次经过第一1/4相位延迟片213后，可见光变为圆偏振光。然后被第一透镜211反射，穿透第一1/4相位延迟片213后变为线偏振光b，该线偏振光b的偏振方向与线偏振光a的偏振方向垂直，且与偏振片214的偏振方向相同，因此可以穿透第二透镜212，然后聚焦至眼球区域。

需要说明的是，为了使得显示器件1能够出射圆偏振光，在一些示例中，显示器件1包括显示器件主体11和第二1/4相位延迟片12。显示器件主体11可以为LED(LightEmitting Diode，发光二极管)显示器，显示器件主体11发出的可见光为线偏振光，经过第二1/4相位延迟片12改变偏振方向后变为圆偏振光。

补光光路：红外补光灯3向第一透镜211发射红外光，由于第一透镜211表面具有红外反射膜22，因此红外光被反射。红外光包括各个偏振方向的偏振光，故红外光第一次被第一1/4相位延迟片213改变偏振方向后，其仍包括各个方向的偏振光。因此其在经过偏振片214时一半与偏振片214偏振方向相同的光线通过，而另一半的红外光被反射。另一半的红外光经过第一1/4相位延迟片213变成圆偏振光，然后再被红外反射膜22反射回来，再次经过第一1/4相位延迟片213，变为与偏振片214偏振方向相同的光线，从而穿过第二透镜212到达眼球区域。因此，红外补光灯3对眼球补光时，产生的光斑200会集中在瞳孔102的位置，如图5所示，从而减少了光斑200对虹膜101的侵蚀。由图3和图4可以看出，红外补光灯3对眼球补光时有两条不同的光路，因此可提高补光的均匀性。而且，红外光对于眼球的入射角较小，会提高虹膜特征的对比度，使得虹膜更加清晰。

为了避免红外补光灯3遮挡用户的视场，在一些示例中，如图3和图4所示，红外补光灯3与第一透镜211的边缘区域相对。

在一些示例中，如图3、图4和图6所示，红外补光灯3呈环状，且固定在第一透镜211和第二透镜212之间。从而，能够提高红外补光灯3对眼球补光的均匀度。

示例性的，如图6所示，红外补光灯3包括印刷电路板31和多个补光灯珠32，多个补光灯珠32沿印刷电路板31的周向间隔排布。

本公开实施例对头戴式显示设备的类型不作限定，在一些示例中，头戴式显示设备为VR设备，在另一些示例中，头戴式显示设备为AR(Augmented Reality，增强现实)设备等。头戴式显示设备还可以称为智能眼镜。

以上所述仅为本公开的可选实施例，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显示器件(1)、透镜组件(2)、红外补光灯(3)和红外摄像头(4)；

所述透镜组件(2)位于所述显示器件(1)的可见光出射光路上，且位于所述红外补光灯(3)的红外光出射光路上；

所述透镜组件(2)用于将所述显示器件(1)发出的可见光聚焦至眼球区域，且用于将所述红外补光灯(3)发出的红外光反射并聚焦至所述眼球区域；

所述红外摄像头(4)用于采集眼球图像。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述透镜组件(2)包括pancake透镜组(21)和红外反射膜(22)；

所述红外反射膜(22)与所述pancake透镜组(21)靠近所述显示器件(1)的一侧贴合，且位于所述红外补光灯(3)的红外光出射光路上，所述红外反射膜(22)用于反射红外光且透射可见光。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述pancake透镜组(21)包括第一透镜(211)和第二透镜(212)；

所述第一透镜(211)靠近所述显示器件(1)的一侧与所述红外反射膜(22)贴合；

所述红外补光灯(3)位于所述第一透镜(211)和所述第二透镜(212)之间，且所述第一透镜(211)位于所述红外补光灯(3)的红外光出射光路上。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一透镜(211)靠近所述第二透镜(212)的一侧设置有第一1/4相位延迟片(213)，所述第二透镜(212)靠近所述第一透镜(211)的一侧设置有偏振片(214)；

所述红外补光灯(3)位于所述第一1/4相位延迟片(213)和所述偏振片(214)之间。

5.根据权利要求3所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一透镜(211)靠近所述显示器件(1)的一侧设置有第一1/4相位延迟片(213)，且所述第一1/4相位延迟片(213)位于所述第一透镜(211)和所述红外反射膜(22)之间，所述第二透镜(212)靠近所述第一透镜(211)的一侧设置有偏振片(214)；

所述红外补光灯(3)位于所述第一透镜(211)和所述偏振片(214)之间。

6.根据权利要求3-5任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一透镜(211)靠近所述显示器件(1)的一侧为凸面。

7.根据权利要求3-5任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第二透镜(212)靠近所述第一透镜(211)的一侧为凸面。

8.根据权利要求3-5任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述红外补光灯(3)与所述第一透镜(211)的边缘区域相对。

9.根据权利要求3-5任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述红外补光灯(3)呈环状，且固定在所述第一透镜(211)和所述第二透镜(212)之间。

10.根据权利要求1-5任一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备为虚拟现实VR设备。

Images