CN103487938B - 头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种头戴显示装置，包括主体框架、透视式光学显示***、主控***和双目立体视觉***，透视式光学显示***包括图像显示模块、光学放大***和微调机构；双目立体视觉***拍摄人眼前方的目标物，利用视差原理测距的方法，获得目标物到人眼的距离；主控***根据得到的目标物到人眼的距离，控制透视式光学显示***自动调整虚像到人眼的距离，保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度，缓解视野疲劳；且在增强现实应用中，当景深变化时，自动调节虚像距人眼的距离，使虚像与实际环境贴合，能达到真正的增强显示效果，可极大增强用户体验。

Description

头戴显示装置

技术领域

本发明涉及可穿戴计算头戴显示设备领域，尤其涉及一种头戴显示装置。

背景技术

现有的HMD（HeadMountDisplay，头戴式可视设备）虚拟现实/增强现实的显示***，由于光学显示***是按照一固定成像距离设计，因此图像源经光学显示***后在人眼前方显示的虚像距人眼的距离是固定的，如果将这样的HMD设备用于增强现实应用，由于虚像距人眼的距离是不变的，而所处环境是时刻改变的，通过这些显示***看到的虚像就是飘浮在空中的，与实际环境脱离，不仅不能达到真正的增强显示效果，且用户体验极差。

发明内容

本发明的目的是提供一种头戴显示装置，解决现有头戴显示光学***虚像距人眼的距离不可调的缺陷，可根据目标物到人眼的距离远近，自动调节虚像到人眼距离的远近，使虚像与实际环境更好的融合。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种头戴显示装置，包括主体框架、透视式光学显示***、主控***和双目立体视觉***，透视式光学显示***包括图像显示模块、光学放大***和微调机构；

双目立体视觉***拍摄人眼前方的目标物，利用视差原理测距的方法，获得目标物到人眼的距离；

主控***根据得到的目标物到人眼的距离，控制微调机构调整图像显示模块与光学放大***的轴向距离，和/或控制微调机构调整光学放大***的焦距，使虚像到人眼距离等于目标物到人眼的距离。

其中，双目立体视觉***包括两个焦距相同的摄像机或一运动的摄像机，目标物距摄像机距离Z用以下公式计算：

$Z=\frac{\mathrm{fT}}{x^l-x^r}$

其中，T为基线距，f为摄像机焦距，x^l、x^r分别为目标物经在左图像和右图像中的x坐标，而目标物距人眼距离L=Z+h，h为摄像机距人眼距离。

其中，所述主控***内嵌光学指标计算模块，将目标物到人眼的距离值作为虚像到人眼距离值输入光学指标计算模块，光学指标计算模块自动计算出需要调整的光学指标；主控***将计算出的需要调整的光学指标转换为微调机构可识别的指令，以控制微调机构对相关光学元件进行微调。

在本发明中，所述调整光学放大***的焦距，可选择下面两种方式之一：

1）用微调机构改变光学放大***中各光学元件的位置关系，以调整光学放大***的焦距。

2）所述光学放大***中的一个或多个光学元件采用液体透镜，微调机构向液体透镜外加电压或微调机构通过机械力改变液体形状，实现调整光学放大***的焦距。

优选的，当通过调整图像显示模块与光学放大***的轴向距离，或通过改变光学放大***中各光学元件的位置关系来调整光学放大***的焦距时，所述微调机构采用螺纹副传动微调方式，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构，每组微调机构包括驱动控制板、微型步进电机、齿轮副、转动螺杆、移动螺母座；需移动的光学组件安装固定在移动螺母座上，微型步进电机在驱动控制板的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆转动来带动移动螺母座的轴向移动。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明头戴显示装置虚像距人眼的距离可根据目标物到人眼的距离自动做调整，能最大限度的保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度，缓解视野疲劳；且在增强现实应用中，当景深变化时，自动调节虚像距人眼的距离，使虚像与实际环境贴合，能达到真正的增强显示效果，可极大增强用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例头戴显示装置的一种结构示意图;

图2为图1的一种详细结构示意图；

图3为本发明实施例双目立体视觉基本原理示意图;

图4为本发明实施例头戴显示装置中透视式光学显示***的一种结构示意图；

图5为图4中微调机构的一种结构示意图；

图中标记：1-主体框架，2-透视式光学显示***，3-双目立体视觉***，4-主控***，5-虚像所在位置，21-图像显示器，22-光学放大***，23-微调机构，31-左摄像头，32-右摄像头，61-驱动控制板，62-微型步进电机，63-齿轮A，64-齿轮B，65-转动螺杆，66-移动螺母座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

参见图1、图2为本发明实施例头戴显示装置的结构示意图，所述头戴显示装置，包括主体框架1、透视式光学显示***2（图1、2示出的是双目头戴现实装置，因此有两个透视式光学显示***）、双目立体视觉***3和主控***4，透视式光学显示***2包括图像显示模块21、光学放大***22和微调机构23（参见图2和4）。双目立体视觉***3拍摄人眼前方的目标物，利用视差原理测距的方法，获得目标物到人眼的距离，双目立体视觉***3可以由两个焦距相同的摄像机构成，也可以由一个运动的摄像机构成，图2中示出的双目立体视觉***由焦距相同的摄像机31和摄像机32构成；主控***4根据得到的目标物到人眼的距离，控制微调机构23调整图像显示模块21与光学放大***22的轴向距离，和/或控制微调机构23调整光学放大***22的焦距，使虚像到人眼距离等于目标物到人眼的距离。

双目立体视觉***3的视差测距原理示意图参见图3，双目立体视觉***3可以由双摄像机构成，也可以由一个运动的单摄像机构成，双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，而单摄像机在不同时刻从不同角度获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置。图3中，O_l、O_r分别为两摄像机左右位置或单摄像机前后两次拍摄位置；T为基线距，基线距T指两摄像机并列排布的水平间距，或运动摄像机前后两次拍摄目标物体的间距；f为两摄像机的焦距；P为目标物所在位置；x^l、x^r分别为目标物在左图像和右图像中的x坐标；目标物距摄像机距离Z用以下公式计算：

$Z=\frac{\mathrm{fT}}{x^l-x^r}$

本发明中目标物到人眼的距离L等于目标物距摄像机的距离Z+摄像机距人眼距离h，即目标物距人眼距离L用以下公式计算：

$L=Z+h=\frac{\mathrm{fT}}{x^l-x^r}+h.$

本发明实施例主控***4内嵌光学指标计算模块，将目标物到人眼的距离值作为虚像到人眼距离值输入光学指标计算模块，光学指标计算模块进行优化处理，自动计算出需要调整的最优光学指标；主控***将计算出的需要调整的光学指标转换为微调机构可识别的指令，以控制微调机构对相关光学元件进行微调。

参见图4，为本发明实施例头戴显示装置中透视式光学显示***的一种结构示意图；透视式光学显示***2包括图像显示模块21、光学放大***22和微调机构23，图像显示模块21用于显示计算机生成图像CGI图像（图像源），本发明实施例图像显示模块21可为OLED、LCD或LCos显示器；光学放大***22对图像源起放大作用，同时光学放大***22内的光学组合器作为光路的转折及外界环境光进入人眼的通道，使人眼通过整个光学放大***22可同时观察到放大的图像源和外界环境。在图4中，图像显示模块1与光学放大***22之间的轴向距离以L1表示，虚像到人眼的距离以L4表示。本发明实施例图4中，仅在图像显示模块21安装了一组微调结构，在实际设计时，每一个需要移动的光学组件均需要安装一组微调机构，本领域技术人员根据附图4完全可推断出安装多组微调机构的其他附图。

本发明实施例中，虚像到人眼的距离L4的调节可以通过以下几种方式来实现：

1）调节图像显示模块21与光学放大***22之间的轴向距离L1，此过程要求保持显示模块21与光学放大***22的距离在光学放大***22的一倍焦距范围内；

2）调节光学放大***22的焦距；

3）以上两种方法的结合使用。

其中，调整光学放大***22的焦距，可选择下面两种方式之一：

a.用微调机构23改变光学放大***22中各光学元件的位置关系，以调整光学放大***的焦距；

b.所述光学放大***22中的一个或多个光学元件采用液体透镜，微调机构23向液体透镜外加电压或微调机构通过机械力改变液体形状，实现调整光学放大***的焦距。

本发明实施例中，微调机构23可以根据需求不同，设计为不同的结构，例如：当本发明实施例通过调整图像显示模块21与光学放大***22的轴向距离，或通过改变光学放大***22中各光学元件的位置关系来调整光学放大***的焦距时，微调机构23优选采用螺纹副传动微调方式，参见图5，每组微调机构23包括驱动控制板61、微型步进电机62、齿轮副（齿轮A63、齿轮B64）、转动螺杆65、移动螺母座66，转动螺杆65和移动螺母座66组成螺纹副。需移动的光学组件安装固定在移动螺母座66上，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构（图4以图像显示模块21安装于移动螺母座66上为例），微型步进电机62在驱动控制板61的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆65转动来带动移动螺母座66的轴向移动，从而带动安装固定在移动螺母座66上的光学组件运行。

而当本发明通过液体透镜改变光学放大***的焦距时，微调机构23就不能用上述的螺纹副传动结构，而需要对应设计为能向液体透镜外加电压或加机械力的结构，且此时微调机构与光学放大***连接。

上面描述了本发明实施例头戴显示装置的各部件结构和原理，下面，以仅微调图像显示模块轴向距离为例，说明本发明实施例如何根据景深自动调节虚像到人眼距离，具体过程为：

A:双目立体视觉***拍摄人眼前方的目标物，利用双目立体视觉***测距原理，计算虚像到人眼的距离L4；

B:根据虚像到人眼的距离L4，计算L1值，获得需输出的△L1数据（原L1值与新计算出的L1的差值），将△L1数据转化为脉冲信号，并输出脉冲个数，将脉冲数传递给驱动板上的单片机；

C：驱动控制板上的单片机程序根据得到的脉冲数控制微型步进电机的驱动器，使微型步进电机稳定转过给定的步数；微型步进电机通过齿轮副将力矩和转动传递给微调螺杆实现图像显示模块的微调，进而实现虚像到人眼距离的调节。

本发明头戴显示装置，虚像距人眼的距离可根据目标物到人眼的距离自动做调整，能最大限度的保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度，缓解视野疲劳；且在增强现实应用中，当景深变化时，可通过调节虚像距人眼的距离，使虚像与实际环境贴合，能达到真正的增强显示效果，可极大增强用户体验。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种头戴显示装置，其特征在于，包括主体框架、透视式光学显示***、主控***和双目立体视觉***，透视式光学显示***包括图像显示模块、光学放大***和微调机构；

双目立体视觉***拍摄人眼前方的目标物，利用视差原理测距的方法，获得目标物到人眼的距离；

主控***根据得到的目标物到人眼的距离，控制微调机构调整图像显示模块与光学放大***的轴向距离，和/或控制微调机构调整光学放大***的焦距，使虚像到人眼距离等于目标物到人眼的距离；

所述微调机构采用螺纹副传动微调方式，每一个需要移动的光学组件安装一组微调机构，每组微调机构包括驱动控制板、微型步进电机、齿轮副、转动螺杆、移动螺母座；需移动的光学组件安装固定在移动螺母座上，微型步进电机在驱动控制板的驱动下，以齿轮副方式驱动螺纹副中的转动螺杆转动来带动移动螺母座的轴向移动。

2.如权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，双目立体视觉***包括两个焦距相同的摄像机或一运动的摄像机，目标物距人眼距离L用以下公式计算：

其中，h为摄像机距人眼距离，Z为目标物距摄像机距离，T为基线距，f为摄像机焦距，x^l、x^r分别为目标物在左图像和右图像中的x坐标。

3.如权利要求2所述的头戴显示装置，其特征在于，所述调整光学放大***的焦距，进一步包括：用微调机构改变光学放大***中各光学元件的位置关系，以调整光学放大***的焦距。

4.如权利要求1或2所述的头戴显示装置，其特征在于，所述光学放大***中的一个或多个光学元件采用液体透镜，微调机构向液体透镜外加电压或微调机构通过机械力改变液体形状，实现调整光学放大***的焦距。

5.如权利要求1或2所述的头戴显示装置，其特征在于，所述主控***内嵌光学指标计算模块，将目标物到人眼的距离值作为虚像到人眼距离值输入光学指标计算模块，光学指标计算模块自动计算出需要调整的光学指标；主控***将计算出的需要调整的光学指标转换为微调机构可识别的指令，以控制微调机构对相关光学元件进行微调。