CN110727111A - 一种头戴显示光学***及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种头戴显示光学***及头戴显示设备，其中头戴显示光学***包括投影显示装置和眼动追踪装置。其中，眼动追踪装置，用于识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述投影显示装置；所述投影显示装置，用于虚拟成像，以及用于根据所述眼动跟踪装置反馈的所述注视点及注视深度信息调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与所述眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配。本发明通过理解人眼的注视点、注视深度等信息，调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与人眼注视深度相匹配，以实现更好的沉浸体验和人机交互体验。眼动追踪装置与投影显示装置融合，减小显示模组体积，利于增强现实显示设备小型化和轻薄化。

Description

一种头戴显示光学***及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，尤其涉及一种头戴显示光学***及头戴显示设备。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的显示设备被广泛应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。其中头戴显示技术作为一种由光学、电子学、软件交互等多种领域相结合的新型技术也得到了突飞猛进的发展。

头戴式显示器(HMD)中的微型显示器和光学***将来自微型显示器的图像投射到用户眼睛并允许用户看到真实世界。头戴式显示器具有许多实用性的应用和休闲的应用，例如航空和航天应用领域允许飞行员看见重要的飞行控制信息而不必使他们的眼睛离开飞行路径；公共安全领域应用包括地图和热成像的战术显示；其他领域的应用还包括视频游戏、交通运输和无线电通信等。

随着HMD技术的发展，人与环境、虚拟内容间的理解和交互，逐渐成为一个关键的需求，人体视觉感官的交互也成为一个研究热点。利用眼动追踪技术获取眼球运动信息，通过追踪眼球及周边特征变化、虹膜角度变化或虹膜反射特征等信息之一获取眼球的注视、汇聚、转动及瞳孔变化情况，从而实现对人体视觉感官的理解，并反馈给显示内容处理单元进行相应的匹配，提升整体的视觉沉浸感。在头戴式显示设备的应用领域，眼动追踪成为其使用过程中重要的交互方式。

利用眼动追踪，能够理解人眼的关注点、视距以及应激反应等，实时调节HMD显示内容，增强用户视觉的沉浸感。在一类已知的应用中，眼动追踪可实现注视点渲染，即对人眼注视的区域进行高清渲染，周边视野降低渲染率，以降低处理单元成本。在一种已知的非接触式光学眼动追踪技术中，光源发出红外光，红外光从眼睛反射并由图像传感器接收，通过分析由图像传感器感测的信息，以从反射光的变化中获知注视方向或瞳孔位置等眼动情况。

近几年随着科技的发展，国内外皆有推出装有眼动追踪技术的虚拟现实头戴式显示设备，在虚拟的环境中捕获眼动行为进行数据分析，或者通过眼动设备与虚拟环境的事物进行交互。传统头戴显示设备中引入眼动追踪功能也主要用于通过注视点跟踪来扩展视场，针对提升用户沉浸体验和人机交互体验方面研究较少，而且额外增加到头戴显示模组中的眼动追踪光学元件对显示模组的小型化和美观也会带来很大难题。

因此，现有技术存在不足，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种头戴显示光学***及头戴显示设备。

本发明的技术方案如下：提供一种头戴显示光学***，包括投影显示装置和眼动追踪装置。

所述眼动追踪装置，用于识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述投影显示装置。

所述投影显示装置，用于虚拟成像，以及用于根据所述眼动跟踪装置反馈的所述注视点及注视深度信息调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与所述眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配。

进一步地，所述投影显示装置包括：图像产生单元、第一光学单元、第二光学单元。

所述图像产生单元，用于产生和发射携带图像信息的光束。

所述第一光学单元用于将所述图像产生单元发射的光束反射至所述第二光学单元，所述第二光学单元用于对所述第一光学单元反射来的光束进行反射，经所述第二光学单元反射后的光束再回到所述第一光学单元，并经所述第一光学单元透射后进入用户眼睛。

进一步地，所述眼动追踪装置包括：红外光源、透反镜单元、热反射镜和图像接收单元。

所述红外光源用于产生红外光束，所述红外光束经由所述透反镜单元透射至所述热反射镜，并经所述热反射镜反射到所述第一光学单元，以及经所述第一光学单元反射进入所述第二光学单元，再经所述第二光学单元反射回所述第一光学单元，最后经所述第一光学单元透射进入用户眼睛。

进入用户眼睛的红外光束由用户眼睛反射回所述第一光学单元，经所述第一光学单元透射进入所述第二光学单元，并依次经所述第二光学单元及所述第一光学单元反射至所述热反射镜，以及经所述热反射镜反射至所述透反镜单元，最后经所述透反镜单元反射至所述图像接收单元。

所述图像接收单元根据接收的用户眼睛反射的红外光束识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述图像产生单元。

进一步地，所述图像产生单元发射携带图像信息的光束，具体经所述热反射镜透射后进入所述第一光学单元。

所述图像产生单元，还用于根据所述图像接收单元反馈的所述注视点及注视深度信息调整虚拟成像的距离，使虚拟成像距离与所述眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配。

进一步地所述图像产生单元包括图像源、微致动结构和第一透镜单元，所述微致动结构用于调节所述图像源或所述第一透镜单元的位置，从而调制投影图像面的焦深或调整所述投影显示装置的有效焦距。或，

所述图像产生单元包括图像源和第二透镜单元，所述第二透镜单元用于透射所述图像源产生的光束并调整所述投影显示装置的有效焦距。

进一步地，所述第二透镜单元为可调焦透镜单元，由至少一片可调焦准直透镜组成，所述图像源与所述第二透镜单元共轴。

进一步地，所述第一光学单元的表面设置有透反膜，所述透反膜的透射率与反射率的比例为1:1。

所述第二光学单元的表面设置有透反膜，所述透反膜的透射率与反射率的比例为1:1，所述第二光学单元的面型为球面、非球面、自由曲面中的任一种。

所述第一光学单元的中心轴与所述投影显示装置的图像产生单元的中心轴成45°夹角。

所述第二光学单元的中心轴与所述图像产生单元的中心轴成90°夹角。

进一步地，所述图像产生单元的中心轴与所述第二光学单元的中心轴垂直相交于所述第一光学单元。

进一步地，所述透反镜单元为半透半反镜，所述透反镜单元表面镀有滤光膜，仅对红外光束响应。

所述图像接收单元为红外图像传感器。

所述热反射镜的中心轴与所述投影显示装置的图像产生单元的中心轴成45夹角°。

所述透反镜单元的中心轴与所述红外光源发射光束的中心轴成45°夹角。

本发明还提供一种头戴显示设备，包括如上所述的头戴显示光学***。

采用上述方案，本发明的有益效果在于：通过理解人眼的注视点、注视深度等信息，调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与人眼注视深度相匹配，以实现更好的沉浸体验和人机交互体验。眼动追踪光学***与投影显示光学融合，减小显示模组体积，利于增强现实显示设备小型化和轻薄化。

附图说明

图1为本发明头戴显示光学***的结构示意图；

图2为本发明头戴显示光学***一实施例的结构示意图；

图3为本发明头戴显示光学***另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图3，本发明提供一种头戴显示光学***，包括投影显示装置和眼动追踪装置。所述眼动追踪装置，用于识别人眼的注视点及注视深度信息，并将注视点及注视深度信息反馈给所述投影显示装置。所述投影显示装置，用于虚拟成像，同时能够根据所述眼动跟踪装置反馈的注视点及注视深度信息调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配。

具体地，所述投影显示装置包括：图像产生单元1、第一光学单元2和第二光学单元3，所述图像产生单元1用于产生和发射携带图像信息的光束，同时用于根据所述眼动跟踪装置反馈的所述注视点及注视深度信息调整虚拟成像的距离，使虚拟成像距离与所述眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配；所述第一光学单元2用于将所述图像产生单元1发射的光束反射至所述第二光学单元3，所述第二光学单元3用于对所述第一光学单元2 反射来的光束进行反射，经所述第二光学单元3反射后的光束再回到所述第一光学单元2，并经所述第一光学单元2透射后进入用户眼睛4。所述第一光学单元2的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成45°夹角，所述第一光学单元2的表面设置有透反膜，所述第一光学单元2的透射率与反射率的比例为1:1，或其他特殊比例设定的透反膜；所述第二光学单元3的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成90°夹角，所述第二光学单元3的表面设置有透反膜，所述第二光学单元3的透射率与反射率的比例为1:1，或其他特殊比例设定的透反膜，具体地，所述第二光学单元为球面、非球面、自由曲面结构中的任一种。具体地，本实施例中，所述第二光学单元3的中心轴为X轴，所述图像产生单元1的中心轴为Y轴，所述X轴与所述Y 轴相互垂直，具体地，本实施例中，所述图像产生单元1的中心轴与所述第二光学单元3的中心轴垂直相交于所述第一光学单元2。

所述眼动追踪装置包括：红外光源L、透反镜单元M2、热反射镜M1、图像接收单元C。所述红外光源L用于产生红外光束，所述红外光束经由所述透反镜单元M2透射至所述热反射镜M1，并经所述热反射镜M1反射到所述第一光学单元2，以及经所述第一光学单元2反射进入所述第二光学单元3，再经所述第二光学单元3反射回所述第一光学单元2，最后经所述第一光学单元2透射进入用户眼睛4。进入用户眼睛4的红外光束由用户眼睛4反射回所述第一光学单元2，经所述第一光学单元2透射进入所述第二光学单元3，并依次经所述第二光学单元3及所述第一光学单元2反射至所述热反射镜M1，以及经所述热反射镜M1反射至所述透反镜单元M2，最后经所述透反镜单元M2反射至所述图像接收单元C。所述图像接收单元C 根据接收的用户眼镜4反射的红外光束识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述图像产生单元1。具体地，本实施例中，所述透反镜单元M2为半透半反镜，所述透反镜单元M2表面镀有滤光膜，仅对红外光束响应，所述透反镜单元M2的中心轴与所述红外光源 L发射光束的中心轴成45°夹角，所述热反射镜M1的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成45°夹角。

请参阅图1，本发明提供的头戴显示光学***的工作原理如下：

图像投影过程：图像产生单元1产生和发射携带图像信息的光束a，到达第一光学单元2之后，由第一光学单元2对光束a反射至第二光学单元3，经第二光学单元3反射后光束a回到第一光学单元2，且经第一光学单元2 透射后进入用户的视野，即用户眼睛4。

眼动追踪过程：红外光源L产生红外光束b，经由透反镜单元M2透射至热反射镜M1，并经热反射镜M1反射到第一光学单元2，以及经第一光学单元2反射进入第二光学单元3，再经第二光学单元3反射回第一光学单元2，最后经第一光学单元2透射进入用户眼睛4。进入用户眼睛4的红外光束b由用户眼睛4反射回所述第一光学单元2，经第一光学单元2透射进入第二光学单元3，并依次经第二光学单元3及第一光学单元2反射至热反射镜M1，以及经热反射镜M1反射至透反镜单元M2，最后经透反镜单元 M2反射至图像接收单元C。图像接收单元C根据接收的用户眼镜4反射的红外光束b识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述图像产生单元1，图像产生单元1根据接收到的注视点及注视深度信息调节投影显示装置的虚拟成像距离，并使虚拟成像距离与眼动追踪装置检测的人眼注视深度相匹配。

请参阅图1与图2，为本发明的一实施例，本实施例中所述图像产生单元1包括图像源DS、微致动结构A1和第一透镜单元5。所述图像源DS能够产生和发射携带图像信息的光束，所述图像源DS为微显示器，具体地，本实施例中所述图像源DS为OLED显示器、或LCD显示器、或LCOS显示器。所述微致动结构A1用于调节所述图像源DS的位置，从而调制投影图像面的焦深，或用于调节所述第一透镜单元5的位置，进而调整所述投影显示装置的有效焦距，进而实现虚拟成像距离的调节。具体地，本实施例中，所述微致动结构A1为电磁、MEMS、压电材料以及记忆金属可致动微结构中的任一种，所述图像源DS包括一处理芯片，所述处理芯片与所述微致动结构A1信号连接进而控制所述微致动结构A1调节所述图像源DS 或所述第一透镜单元5的位置。所述第一透镜单元5同时可以透射所述图像源DS产生的光束，所述第一透镜单元5包括至少一片透镜，所述透镜为准直透镜。本实施例中，所述图像源DS与所述第一透镜单元5共轴。本实施例中，所述第一光学单元2的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成 45°夹角，所述第二光学单元3的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成 90°夹角，所述图像产生单元1的中心轴与所述第二光学单元3的中心轴垂直相交于所述第一光学单元2，所述热反射镜M1的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成45°夹角，所述透反镜单元M2的中心轴与所述红外光源 L发射光束的中心轴成45°夹角。

本实施例提供的头戴显示光学***的工作原理如下：

图像投影过程：图像源DS产生和发射携带图像信息的光束a，经过第一透镜单元5准直后到达热反射镜M1，经热反射镜M1的透射后到达第一光学单元2。再由第一光学单元2对光束a进行反射，到达第二光学单元3，经第二光学单元3反射的光束a回到第一光学单元2，并经第一光学单元2 透射后进入用户的视野，即用户眼睛4。

眼动追踪过程：红外光源L产生红外光束b，经由透反镜单元M2透射至热反射镜M1，并经热反射镜M1反射到第一光学单元2，以及经第一光学单元2反射进入第二光学单元3，再经第二光学单元3反射回第一光学单元2，最后经第一光学单元2透射进入用户眼睛4。进入用户眼睛4的红外光束b由用户眼睛4反射回所述第一光学单元2，经第一光学单元2透射进入第二光学单元3，并依次经第二光学单元3反射后到达第一光学单元2，再经第一光学单元2反射至热反射镜M1，以及经热反射镜M1反射至透反镜单元M2，最后经透反镜单元M2反射至图像接收单元C(本实施例采用红外图像传感器)，图像接收单元C识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给图像产生单元1的处理芯片，所述处理芯片根据接收到的注视点及注视深度信息调制微致动结构A1，进而调整所述图像源DS或所述第一透镜单元5的位置，从而调节投影显示装置的虚拟成像距离，并使虚拟成像距离与眼动追踪装置检测的人眼注视深度相匹配。

请参阅图1与图3，为本发明的另一实施例，本实施例中，所述图像产生单元1包括图像源DS和第二透镜单元6，所述第二透镜单元6用于透射所述图像源DS产生的光束并调整所述投影显示装置的有效焦距。具体地，所述第二透镜单元6为可调焦准直透镜，由至少一片透镜组成，所述图像源DS包括一处理芯片，所述处理芯片与所述可调焦准直透镜信号连接进而控制所述可调焦准直透镜进行焦距的调节，所述可调焦准直透镜具体采用能够实现上述调焦功能的现有技术即可，例如移动透镜组中镜片的位置或使用可通过电致变形驱动、压电驱动等方式能够改变自身形状实现变焦的一种透镜。本实施例中，所述图像源与所述第二透镜单元6共轴。本实施例中，所述第一光学单元2的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成45°夹角，所述第二光学单元3的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成90°夹角，所述图像产生单元1的中心轴与所述第二光学单元3的中心轴垂直相交于所述第一光学单元2，所述热反射镜M1的中心轴与所述图像产生单元1的中心轴成45°夹角，所述透反镜单元M2的中心轴与所述红外光源L 发射光束的中心轴成45°夹角。

本实施例提供的头戴显示光学***的工作原理如下：

图像投影过程：图像源DS产生和发射携带图像信息的光束a，经过第二透镜单元6准直后到达热反射镜M1，经热反射镜M1透射后到达第一光学单元2。第一光学单元2将光束a反射至第二光学单元3，经第二光学单元3反射的光束a回到第一光学单元2，且经第一光学单元2透射后进入用户的视野，即用户眼睛4。

眼动追踪过程：红外光源L产生红外光束b，经由透反镜单元M2透射至热反射镜M1，并经热反射镜M1反射到第一光学单元2，以及经第一光学单元2反射进入第二光学单元3，再经第二光学单元3反射回第一光学单元2，最后经第一光学单元2透射进入用户眼睛4。进入用户眼睛4的红外光束b由用户眼睛4反射回所述第一光学单元2，经第一光学单元2透射进入第二光学单元3，并依次经第二光学单元3及第一光学单元2反射至热反射镜M1，以及经热反射镜M1反射至透反镜单元M2，最后经透反镜单元 M2反射至图像接收单元C(本实施例采用红外图像传感器)，图像接收单元C识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给图像产生单元1的处理芯片，处理芯片根据接收到的信息调制可调焦准直透镜的焦距，从而调节投影显示装置的虚拟成像距离，并使虚拟成像距离与眼动追踪装置检测的人眼注视深度相匹配。

本发明还提供一种头戴显示设备，包括如上所述的头戴显示光学***。

综上所述，本发明的有益效果在于：通过理解人眼的注视点、注视深度等信息，调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与人眼注视深度相匹配，以实现更好的沉浸体验和人机交互体验。眼动追踪光学***与投影显示光学融合，减小显示模组体积，利于增强现实显示设备小型化和轻薄化。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴显示光学***，其特征在于，包括投影显示装置和眼动追踪装置，

所述眼动追踪装置，用于识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述投影显示装置；

所述投影显示装置，用于虚拟成像，以及用于根据所述眼动跟踪装置反馈的所述注视点及注视深度信息调节虚拟成像距离，使虚拟成像距离与所述眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配。

2.根据权利要求1所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述投影显示装置包括：图像产生单元、第一光学单元、第二光学单元；

所述图像产生单元，用于产生和发射携带图像信息的光束；

所述第一光学单元用于将所述图像产生单元发射的光束反射至所述第二光学单元，所述第二光学单元用于对所述第一光学单元反射来的光束进行反射，经所述第二光学单元反射后的光束再回到所述第一光学单元，并经所述第一光学单元透射后进入用户眼睛。

3.根据权利要求2所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述眼动追踪装置包括：红外光源、透反镜单元、热反射镜和图像接收单元；

所述红外光源用于产生红外光束，所述红外光束经由所述透反镜单元透射至所述热反射镜，并经所述热反射镜反射到所述第一光学单元，以及经所述第一光学单元反射进入所述第二光学单元，再经所述第二光学单元反射回所述第一光学单元，最后经所述第一光学单元透射进入用户眼睛；

进入用户眼睛的红外光束由用户眼睛反射回所述第一光学单元，经所述第一光学单元透射进入所述第二光学单元，并依次经所述第二光学单元及所述第一光学单元反射至所述热反射镜，以及经所述热反射镜反射至所述透反镜单元，最后经所述透反镜单元反射至所述图像接收单元；

所述图像接收单元根据接收的用户眼睛反射的红外光束识别人眼的注视点及注视深度信息，并将所述注视点及注视深度信息反馈给所述图像产生单元。

4.根据权利要求3所述的头戴显示光学***，其特征在于，

所述图像产生单元发射携带图像信息的光束，具体经所述热反射镜透射后进入所述第一光学单元；

所述图像产生单元，还用于根据所述图像接收单元反馈的所述注视点及注视深度信息调整虚拟成像的距离，使虚拟成像距离与所述眼动追踪装置检测到的人眼注视深度相匹配。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述图像产生单元包括图像源、微致动结构和第一透镜单元，所述微致动结构用于调节所述图像源或所述第一透镜单元的位置，从而调制投影图像面的焦深或调整所述投影显示装置的有效焦距；或，

所述图像产生单元包括图像源和第二透镜单元，所述第二透镜单元用于透射所述图像源产生的光束并调整所述投影显示装置的有效焦距。

6.根据权利要求5所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述第二透镜单元为可调焦透镜单元，由至少一片可调焦准直透镜组成，所述图像源与所述第二透镜单元共轴。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述第一光学单元的表面设置有透反膜，所述透反膜的透射率与反射率的比例为1:1；

所述第二光学单元的表面设置有透反膜，所述透反膜的透射率与反射率的比例为1:1，所述第二光学单元的面型为球面、非球面、自由曲面中的任一种；

所述第一光学单元的中心轴与所述投影显示装置的图像产生单元的中心轴成45°夹角；

所述第二光学单元的中心轴与所述图像产生单元的中心轴成90°夹角。

8.根据权利要求7所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述图像产生单元的中心轴与所述第二光学单元的中心轴垂直相交于所述第一光学单元。

9.根据权利要求3至4中任一项所述的头戴显示光学***，其特征在于，所述透反镜单元为半透半反镜，所述透反镜单元表面镀有滤光膜，仅对红外光束响应；

所述图像接收单元为红外图像传感器；

所述热反射镜的中心轴与所述投影显示装置的图像产生单元的中心轴成45夹角°；

所述透反镜单元的中心轴与所述红外光源发射光束的中心轴成45°夹角。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的头戴显示光学***。

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