CN105866948A - 在双目头戴设备上调节虚像投影距离及角度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离和/或投影角度的方法，通过调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，实现调节虚像的投影距离；通过平移改变左右两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置，实现调节虚像的投影角度。传统景深调节均是从改变光学原件像距入手，本发明打破传统思维，不改变光学器件结构，通过调节图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离实现调节景深，具有开创性，且相比改变光学焦距，更具有实用性。另外，传统调焦距方式改变景深的方法，无法实现虚像角度的调整，本发明通过调节左右两组有效显示信息的显示位置，实现虚像角度调节，亦具有开创性。
Description
技术领域
本发明涉及头戴显示设备领域，尤其涉及在双目头戴设备上调节虚像投影距离及角度的方法。
背景技术
随着穿戴设备的兴起，各种头戴显示设备成为各大巨头公司的研发热点，逐渐进入人们的视野。头戴显示设备是增强现实技术(Augmented RealityTechnique，简称AR)的最佳运用环境，其能将虚拟信息通过头戴设备窗口呈现在真实环境中，但是目前多数现有AR头戴显示设备，其AR信息叠加仅考虑与目标位置X、Y轴坐标的相关性，而未计算目标的深度信息，使得虚拟信息漂浮在人眼前方，与环境融合度不高，用户体验度欠佳。
现有技术中，也有在头戴设备上调节景深的方法，大多都是采用机械方式调节光学透镜组的光学结构，从而改变光学原件像距，进而实现虚像景深调节，这种方式使得头戴设备体积大、成本高且精度难控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离、角度的方法，可在不改变光学结构的情况下，根据需要自由调节虚像投影距离和投影角度。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离的方法，通过调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，实现调节有效显示信息经光学***所成虚像的投影距离。
优选的，所述等效中心距离调节范围为[0，d0]，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离。
优选的，所述等效中心距离调节方式包括：电子调节、机械调节、电子调节与机械调节相结合中的一种；所述电子调节指图像显示源物理位置固定，仅改变两组有效显示信息在图像显示屏上显示的区域位置；所述机械调节指左右图像显示源做物理移动。
相应的，本发明还提供了一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离的方法，所述头戴设备内预置有景深档位数据,所述景深档位数据包括档位代号和图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离之间的对应关系，不同档位代号代表不同虚像距离；头戴设备根据用户的档位切换指令，调节图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，以实现虚像距离的调节。
优选的，所述等效中心距离调节范围为[0，d0]，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离。
优选的，图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离调节方式包括：电子调节、机械调节、电子调节与机械调节相结合中的一种；所述电子调节指图像显示源物理位置固定，仅改变两组有效显示信息在图像显示屏上显示的区域位置；所述机械调节指左右图像显示源做物理移动。
优选的，所述档位切换命令类型包括语音指令、手势指令、传感器数据指令、机械按键指令、触摸指令中的一种或多种。
相应的，本发明还提供了一种在双目头戴设备上调节虚像投影角度的方法，在头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离固定的情况下，通过平移改变左右两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置，实现调节有效显示信息经光学***所成虚像的投影角度。
相应的，本发明还提供了一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离和投影角度的方法，在[0，d0]范围内调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离；等效中心间距调节好后,保持此间距平移两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
传统景深调节均是从改变光学原件像距入手，本发明打破传统思维，不改变光学器件结构，通过调节图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离实现调节景深，具有开创性，且相比改变光学焦距，更具有实用性。另外，传统调焦距方式改变景深的方法，无法实现虚像角度的调整，本发明通过调节左右两组有效显示信息的显示位置，实现虚像角度调节，亦具有开创性。
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为人眼空间视线路径示意图；
图2为左右两组有效显示信息等效中心距离固定为P的情况下，平移改变左右两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置示意图；
图3为本发明实施例在双目头戴设备上调节虚像投影距离和投影角度的方法的流程示意图；
图4为头戴显示设备光学模块布局方式一示意图；
图5为图4的图像源有效显示信息等效中心距离示意图；
图6为头戴显示设备光学模块布局方式二示意图；
图7为图6的图像源有效显示信息等效中心距离示意图。
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。
本发明的发明人发现：当人眼注视不同空间位置的目标物时，左右眼的观察视角是不一样的，如图1中A/B/C/D分别代表空间中不同方位的目标物，当我们注视目标物A时，左右眼的视线方向分别为OLA/ORA所在的空间矢量。同理，在增强现实头戴设备领域，佩戴者通过双目头戴设备左右眼分别观察到左右两幅虚拟图像，当左眼观察左侧虚拟图像的视线与右眼观察右侧虚拟图像的视线在空间区域相汇，双目观察到的将是一幅重叠的并距观察者一定距离的虚拟画面，此虚拟画面距离人眼的距离是由左右虚拟图像分别与左右眼构成的空间观察矢量(视线)决定的。
如图1，观察者通过双目AR头戴设备观察虚拟画面a，当左眼观察左侧虚拟画面a与右眼观察右侧虚拟画面a的左右视线空间矢量分别与空间矢量OLA和ORA一致时，此时双目通过头戴设备观察到的将会是左右画面重叠的一幅虚拟画面a，并且重叠的虚拟画面a具有与空间目标物A一致的空间位置。
而左右眼构空间视线矢量是由其观看的目标所决定，因此在双目头戴设备上，左右两组有效显示信息的等效中心距离又可以决定用户左右眼构成的空间视线矢量，因此双目头戴设备中虚像的投影距离Ln与头戴设备图像源上左右两组有效显示信息的等效中心距离存在对应关系。本发明发明人根据以上理论，提出本发明技术方案。
由于本发明实施例提到了等效中心间距，下面对其进行定义：
等效光轴：以人眼为出瞳的目视光学***采用逆向光路设计***时，以过出瞳中心且垂直于出瞳面的轴线为等效光轴；
等效图象源显示屏：在以人眼为出瞳的目视光学***中，逆向追迹一过光轴的光线，即此光线过出瞳中心且垂直于出瞳面，当此光线第一次与光学面相交时，在相交点处做一与此光学面相切的平面，此光学面之后的未追迹过的光学面以此平面为镜面展开(即以此平面为镜面，获得此光学面之后的未追迹过的光学面的对称像)，在展开后的光学***中，在未追迹过的光学面组成的***中继续追迹此光线；当此光线第二次与光学面相交时，在相交点处做一与此光学面相切的平面，此光学面之后的未追迹过的光学面以此平面为镜面展开，如此依次展开直至最后一面，至此可获得展开后的图象源显示屏的对称像，此对称像为等效图象源显示屏。
定义左右两组等效显示屏上有效显示信息的中心距离为等效中心距离dn。本领域技术人员可以理解，图像显示屏左右显示的信息需要能够叠加，必须使左右两组等效显示屏上有效显示信息的中心点连线与OS轴垂直，因此本发明提到的等效中心距离dn，均指与左右中心点连线与OS轴垂直情况下的间距。
参见图4～图7，若头戴显示光学模块采用图4所示的布局(图像显示源1位于人眼上方，图像显示源1发出的光线经放大***2后，由可透可反镜3反射入人眼4)，则放大***的等效中心距d0，图像源有效显示信息等效中心距dn参见图5所示，其中11、12为左右图像显示源，21、21我左右放大***，D为瞳距；若头戴显示光学模块采用图6所示的布局(图像显示源11、12位于人眼两侧)则放大***的等效中心距d0，图像源有效显示信息等效中心距dn参见图7所示。
本发明实施例在双目头戴设备上调节虚像投影距离的方法，具体实现方式为：通过调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，实现调节有效显示信息经光学***所成虚像的投影距离。所述等效中心距离调节范围为[0，d0]，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离，这种调节方法中，图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离越大，虚像的投影距离越远，相反图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离越小，虚像的投影距离越近。所述等效中心距离调节方式包括：电子调节、机械调节、电子调节与机械调节相结合中的一种；所述电子调节指图像显示源物理位置固定，仅改变两组有效显示信息在图像显示屏上显示的区域位置；所述机械调节指左右图像显示源做物理移动。
当图像显示源为一块屏分屏显示时，只能进行电子调节；而当图像显示源为两块微型显示器，若采用高分辨率微型显示器(如目前已有的OLED微型显示器的尺寸0.61英寸，可达分辨率1920*1200，每个像素对角尺寸可达到6.8um级别)，也可直接只进行电子调节，但是若图像显示源为两块中小型显示器，如2英寸、3.5英寸，由于受工艺的影响，此类显示器每个像素的尺寸在几十个微米级别，若只进行电子调节可能误差比较大，可以考虑增加显示器的物理微移，即让两块显示器机械平移。
在另一调节虚像投影距离实施例中，在所述头戴设备内预置景深档位数据,所述景深档位数据包括档位代号和图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离之间的对应关系，不同档位代号代表不同虚像距离；头戴设备根据用户的档位切换指令，在[0，d0]范围内调节图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，以实现虚像距离的调节，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离。所述档位切换命令类型包括语音指令、手势指令、传感器数据指令、机械按键指令、触摸指令中的一种或多种。其中，图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离调节方式包括：电子调节、机械调节、电子调节与机械调节相结合中的一种；所述电子调节指图像显示源物理位置固定，仅改变两组有效显示信息在图像显示屏上显示的区域位置；所述机械调节指左右图像显示源做物理移动。
本发明实施例还提供一种在双目头戴设备上调节虚像投影角度的方法，具体实现方式为：在头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离固定的情况下，通过平移改变左右两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置，实现调节有效显示信息经光学***所成虚像的投影角度。参见图2，若左右两组有效显示信息关于OS轴对称(左右中心点分别在OL、OR位置)，则虚像会投影到人眼正前方；若以OS一定偏移为对称轴，如将左右中心点分别平移置OL2和OR2位置处，则虚像也相对于人眼正前方有一定的偏移。所述OS轴为左右两部分图像源的等效对称轴。
本发明实施例还提供一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离和投影角度的方法，参见图3，包括：S101：在[0，d0]范围内调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离；S102：等效中心间距调节好后,保持此间距平移两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置。S101步骤调节左右两组有效显示信息的等效中心距离实现投影距离调节，S102步骤平移显示位置实现投影角度调节。
传统景深调节均是从改变光学原件像距入手，本发明打破传统思维，不改变光学器件结构，通过调节图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离实现调节景深，具有开创性，且相比改变光学焦距，更具有实用性。另外，传统调焦距方式改变景深的方法，无法实现虚像角度的调整，本发明通过调节左右两组有效显示信息的显示位置，实现虚像角度调节，亦具有开创性。
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 (9)
1.一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离的方法，其特征在于，通过调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，实现调节有效显示信息经光学***所成虚像的投影距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效中心距离调节范围为[0，d0]，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述等效中心距离调节方式包括：电子调节、机械调节、电子调节与机械调节相结合中的一种；所述电子调节指图像显示源物理位置固定，仅改变两组有效显示信息在图像显示屏上显示的区域位置；所述机械调节指左右图像显示源做物理移动。
4.一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离的方法，其特征在于，所述头戴设备内预置有景深档位数据,所述景深档位数据包括档位代号和图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离之间的对应关系，不同档位代号代表不同虚像距离；头戴设备根据用户的档位切换指令，调节图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，以实现虚像距离的调节。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述等效中心距离调节范围为[0，d0]，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离。
6.如权利要求5所述的方法其特征在于，图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离调节方式包括：电子调节、机械调节、电子调节与机械调节相结合中的一种；所述电子调节指图像显示源物理位置固定，仅改变两组有效显示信息在图像显示屏上显示的区域位置；所述机械调节指左右图像显示源做物理移动。
7.如权利要求4至6任一项所述的方法，其特征在于，所述档位切换命令类型包括语音指令、手势指令、传感器数据指令、机械按键指令、触摸指令中的一种或多种。
8.一种在双目头戴设备上调节虚像投影角度的方法，其特征在于，在头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离固定的情况下，通过平移改变左右两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置，实现调节有效显示信息经光学***所成虚像的投影角度。
9.一种在双目头戴设备上调节虚像投影距离和投影角度的方法,其特征在于:
在[0，d0]范围内调节头戴设备图像显示源上左右两组有效显示信息的等效中心距离，d0为头戴设备两组光学***的光轴的等效距离；
等效中心间距调节好后,保持此间距平移两组有效显示信息在图像显示源上的显示位置。
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