CN114355615B - 头戴式显示装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种头戴式显示装置及其控制方法，可以提高用户体验。第一支撑结构内设置有第一光线传播单元，第二支撑结构内设置有第二光线传播单元；左眼反射的光线通过第一光线传播单元在第一检测单元的像面上成像，右眼反射的光线通过第二光线传播单元在第二检测单元上成像；当第一检测单元的像面成的像与第一预设位置不同，第二检测单元的像面成的像与第二预设位置不同时，调节单元调节第一、第二支撑结构位于承载结构的位置；测量单元记录第一、第二支撑结构的位移量；控制模块根据位移量确定实际人眼瞳间距；基于实际人眼瞳间距，第一显示器发射的光线通过第一光线传播单元被左眼采集；第二显示器发射的光线通过第二光线传播单元被右眼采集。

Description

头戴式显示装置及其控制方法

技术领域

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种头戴式显示装置及其控制方法。

背景技术

电子设备通过显示器向用户呈现文字、图像等图像信息，可以为用户展示图片、播放视频、与用户进行游戏互动等。例如，增强现实（Augmented Reality，AR）头戴式显示装置可以通过显示器向用户呈现图像，给用户以身临其境的沉浸式体验。具体的，由于人的双眼存在一定的间距，左右眼看到的视景是不一样的。基于此，在立体投影成像***中，可以通过显示对观察者的右眼和左眼具有视差的图像，向该观察者提供可以三维地观看的3D（三维）图像。

然而，当AR头戴式显示装置的左显示器和右显示器的瞳间距与观察者的右眼和左眼的瞳间距不匹配时，观察者可能会观察到影像失真，这不单单破坏观察者的体验，也会造成观察者眼睛疲劳或头痛等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供一种头戴式显示装置及其控制方法。可以精确的确定观察者的瞳间距，并根据该瞳间距显示三维图像，显示效果好，提高用户体验。此外，该头戴式显示装置体积小，重量轻。

第一方面，本申请实施例提供一种头戴式显示装置，该头戴式显示装置包括：承载结构、第一支撑结构和第二支撑结构；第一支撑结构和第二支撑结构可移动的设置于承载结构上；头戴式显示装置还包括：控制模块、光学显示模块和测量调节模块；光学显示模块包括第一显示器、第一光线传播单元、第二显示器、第二光线传播单元；测量调节模块包括第一检测单元、第二检测单元、测量单元和调节单元；第一支撑结构内设置有第一光线传播单元，第二支撑结构内设置有第二光线传播单元；观察者的左眼反射的光线通过第一光线传播单元在第一检测单元的像面上成像，观察者的右眼反射的光线通过第二光线传播单元在所述第二检测单元上成像；当第一检测单元的像面成的像与第一预设位置不同，和，第二检测单元的像面成的像与第二预设位置不同时，调节单元用于调节第一支撑结构和所述第二支撑结构位于承载结构的位置，以使第一检测单元的像面成的像与第一预设位置相同，和，第二检测单元的像面成的像与第二预设位置相同；测量单元用于记录第一支撑结构和第二支撑结构的位移量；其中，第一预设位置为当头戴式显示装置的瞳间距为预设人眼瞳间距时，第一显示器和第一光线传播单元的光轴在第一检测单元像面的位置；第二预设位置为当头戴式显示装置的瞳间距为预设人眼瞳间距时，第二显示器和第二光线传播单元的光轴在第二检测单元像面的位置；当第一检测单元的像面成的像与第一预设位置相同，和，第二检测单元的像面成的像与第二预设位置相同时，控制模块用于根据位移量和预设人眼瞳间距确定实际人眼瞳间距；基于实际人眼瞳间距，第一显示器发射的光线通过第一光线传播单元被左眼采集；以及，第二显示器发射的光线通过第二光线传播单元被右眼采集。

通过调节单元和测量单元相结合，可以精确的确定观察者的瞳间距，并根据观察者的瞳间距，调整三维显示的内容，以匹配观察者的瞳间距，显示效果好，且观察者不容易产生疲劳或头痛等问题，提升用户体验。此外，通过测量单元和光学显示模块共光路（光线传播单元即传输眼睛反射的光线，也传输显示器发出的光线）的设计，较大程度的减小了头戴式显示装置的体积和重量。

在一些可能实现的方式中，头戴式显示装置还包括：预警模块，与控制模块电连接；当第一检测单元的像面成的像与第一预设位置不同，和，第二检测单元的像面成的像与第二预设位置不同时，预警模块用于提醒观察者重新调整佩戴头戴式显示装置的姿态，例如调节第一支撑结构和第二支撑结构之间的距离，进一步提高用户体验。

在一些可能实现的方式中，头戴式显示装置还包括多个补光灯，第一支撑结构和第二支撑结构朝向观察者的一侧分别设置有多个补光灯；多个补光灯例如均匀的设置于第一支撑结构和第二支撑结构上；多个补光灯发出的光线照亮左眼和右眼，以保证瞳间距检测单元采集的图像具有足够的亮度。

在一些可能实现的方式中，第一光线传播单元和第二光线传播单元均包括波导。由于用波导折叠了光路，因此，进一步减小了头戴式显示装置的体积。

在一些可能实现的方式中，在上述第一光线传播单元和第二光线传播单元均包括波导的基础上，头戴式显示装置还包括多个补光灯，第一支撑结构和第二支撑结构朝向观察者的一侧分别设置有多个补光灯；多个补光灯发出的光线照亮左眼和右眼；第一光线传播单元包括第一耦合入单元和第一耦合出单元；第二光线传播单元包括第二耦合入单元和第二耦合出单元；当第一检测单元对应的第一耦合出单元和第一显示器对应的第一耦合入单元共用时，头戴式显示装置还包括分光棱镜；左眼反射的光线传播的路径上以及第一显示器发出的光线传播的路径上设置有分光棱镜；当第二检测单元对应的第二耦合出单元和第二显示器对应的第二耦合入单元共用时，头戴式显示装置还包括分光棱镜；右眼反射的光线传播的路径上以及第二显示器发出的光线传播的路径上设置有分光棱镜。通过分光棱镜进行分光。

在一些可能实现的方式中，第一光线传播单元和第二光线传播单元均包括自由曲面棱镜；或者，第一光线传播单元和第二光线传播单元均包括自由曲面反射镜。当然，第一光线传播单元和第二光线传播单元的类型包括但不限于波导、自由曲面棱镜或自由曲面反射镜。

在一些可能实现的方式中，测量单元包括光栅尺。通过光栅尺确定第一支撑结构和第二支撑结构的位移量精度高。

在一些可能实现的方式中，头戴式显示装置还包括视度调节模块，用于进行视度补偿，以满足不同观察者的需求，为存在视力缺陷（近视、远视、散光等）的观察者提供更加舒适的使用体验。

在一些可能实现的方式中，在上述头戴式显示装置包括视度调节模块的基础上，视度调节模块包括两个可拆卸透镜；两个可拆卸透镜可拆卸的设置于第一支撑结构和第二支撑结构朝向观察者的一侧上。

在一些可能实现的方式中，在上述头戴式显示装置包括视度调节模块的基础上，视度调节模块包括两组可调谐透镜组；每组所述可调谐透镜组包括第一可调谐透镜和第二可调谐透镜，其中一组可调谐透镜组中的第一可调谐透镜和第二可调谐透镜固定于第一支撑结构相对的两侧；另一组可调谐透镜组中的第一可调谐透镜和第二可调谐透镜固定于第二支撑结构相对的两侧。第二可调谐透镜用于调整虚像距。第一可调谐透镜和第二可调谐透镜组合，保证外界光线经过第一可调谐透镜和第二可调谐透镜光焦度为零。由于可调谐透镜可以根据电压直接改变对应的度数，这样，针对不同具有视力缺陷的用户，无需更换不同的透镜。

第二方面，本申请实施例提供一种头戴式显示装置的控制方法，应用于如第一方面所述的头戴式显示装置；头戴式显示装置的控制方法包括：采集左眼和右眼的图片；其中，头戴式显示装置的瞳间距为预设人眼瞳间距；判断左眼的图片与第一预设位置是否相同，以及右眼的图片与第二预设位置是否相同；如果左眼的图片与第一预设位置不同，以及右眼的图片与第二预设位置不同，则控制调节单元调节第一支撑结构和第二支撑结构位于承载结构的位置，以使左眼的图片与第一预设位置相同，以及右眼的图片与第二预设位置相同；并且记录第一支撑结构和第二支撑结构的位移量；根据位移量和预设人眼瞳间距确定实际人眼瞳间距，完成一次瞳间距调整；基于实际人眼瞳间距，控制第一显示器发射光线，以使第一显示器发射的光线通过第一光线传播单元被左眼采集；以及，控制第二显示器发射光线，以使第二显示器发射的光线通过第二光线传播单元被右眼采集。由于显示的三维图像是基于新的观察者的瞳间距确定的，显示效果好，且观察者不容易产生疲劳或头痛等问题，提升用户体验。

在一些可能实现的方式中，如果左眼的图片与第一预设位置相同，以及右眼的图片与第二预设位置相同，则基于预设人眼瞳间距，控制第一显示器发射光线，以使第一显示器发射的光线通过第一光线传播单元被左眼采集；以及，控制第二显示器发射光线，以使第二显示器发射的光线通过第二光线传播单元被右眼采集。即无需进行调节。

在一些可能实现的方式中，根据位移量和预设人眼瞳间距确定实际人眼瞳间距之前，还包括：判断左眼的图片与第一预设位置是否相同，以及右眼的图片与第二预设位置是否相同；如果左眼的图片与第一预设位置不同，以及右眼的图片与第二预设位置不同，则重复执行控制调节单元调节第一支撑结构和所述第二支撑结构位于承载结构的位置，并记录第一支撑结构和第二支撑结构的位移量的步骤，直至左眼的图片与第一预设位置相同，以及右眼的图片与第二预设位置相同。这样，可以提高调节精度，防止调节单元对第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距进行调节时，出现误差等问题，使得第一支撑结构和第二支撑结构的位移量不满足需要调节的距离。

在一些可能实现的方式中，头戴式显示装置的控制方法还包括：判断瞳间距调整次数是否超过预设次数；若瞳间距调整次数超过预设次数，则通过调节单元调节第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距，以使第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距为预设人眼瞳间距；或者，提示观察者手动调节单元，以使第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距为预设人眼瞳间距，以避免***误差影响调节精度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的三维成像的模型图；

图2为本申请实施例提供的一种头戴式显示装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的头戴式显示装置的一种应用场景示意图之一；

图4为本申请实施例提供的又一种头戴式显示装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种人眼光轴与光学显示模块的光轴的原理图；

图6为本申请实施例提供的又一种头戴式显示装置的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的又一种头戴式显示装置的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种头戴式显示装置的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种光线传播单元进行光线传播的示意图；

图10为本申请实施例提供的又一种光线传播单元进行光线传播的示意图；

图11为本申请实施例提供的一种测量单元的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的又一种头戴式显示装置的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的又一种头戴式显示装置的结构示意图；

图14为本申请实施例提供的一种头戴式显示装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种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。

本申请实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个***是指两个或两个以上的***。

为了便于描述，以下先对本申请实施例涉及的三维重建的视差、瞳间距以及深度三者的关系进行介绍：

图1为三维成像的模型图，需要说明的是，图1中所有坐标都是定义在同一坐标系内，坐标原点与标架已经在图1左下角标识出。图1中，C_L和C_R是第一相机和第二相机的光心；b是两个相机光心的距离；L表示的是第一、第二相机的像面的长度，关于光轴对称；f是焦距（光心到像面的最短距离就是焦距长度f）。P为空间中的点，坐标为（x，z），P_L和P_R是点P在第一、第二像平面上的成像点。P_L的坐标是为（X_L，f），P_R的坐标是为（X_R，f），X_R ^*和X_L ^*是P_L和P_R距各自像面的第一边缘的距离。z为物体深度。d为视差。则视差和物体深度的关系式如下：

则推到出：

由此可见，深度z与焦距f、两个相机光心的距离b以及视差d有关。如果头戴式显示装置的瞳间距（两个相机光心的距离b）与人眼的瞳间距不匹配，显示的虚拟物体的距离与人眼感知的距离就会不同，这样一来，会导致图像失真，视觉疲劳以及头晕等问题。

本申请实施例提供一种头戴式显示装置，图2示出了头戴式显示装置的结构示意图。如图2所示，头戴式显示装置100可以包括：控制模块10、输入输出模块20、光学显示模块30以及测量调节模块40。控制模块10包括处理器11和存储器12。输入输出模块20包括扬声器21、麦克风22、至少一个传感器23和摄像头24等。当传感器23的数量例如为多个，多个传感器23例如包括陀螺仪传感器、亮度传感器、距离传感器、触摸传感器、位移传感器、温度传感器、图像传感器等。光学显示模块30包括显示器31、透镜组32和光线传播单元33。测量调节模块40包括检测单元41、调节单元42和测量单元43。

可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对头戴式显示装置100的具体限定。在本申请另一些实施例中，头戴式显示装置100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。

头戴式显示装置100可以是AR头戴式显示装置、虚拟现实（Virtual Reality，VR）头戴式显示装置、混合现实（Mixed Reality，MR）头戴式显示装置等，本申请实施例对上述头戴式显示装置100的具体形式不作特殊限定。其中，当头戴式显示装置100是AR头戴式显示装置时，可以是AR头盔、AR眼镜或AR随身影院等。当头戴式显示装置100是VR头戴式显示装置时，可以是VR头盔、VR眼镜或VR随身影院等。当头戴式显示装置100是MR头戴式显示装置时，可以是MR头盔、MR眼镜或MR随身影院等。

以下为了方便说明，以头戴式显示装置100是AR眼镜为例对头戴式显示装置100的具体结构以及各结构的作用进行说明。

如图3所示，AR眼镜包括主体110、第一佩戴座120a和第二佩戴座120b。当AR眼镜通过第一佩戴座120a和第二佩戴座120b佩戴在观察者头部时，观察者通过眼睛（左眼70a和右眼70b）不仅可以看到AR眼镜显示器呈现的图像，还可以看到外界的实体对象，即实现虚实结合。

结合图4，主体110包括承载结构50、第一支撑结构60a和第二支撑结构60b。第一支撑结构60a和第二支撑结构60b可移动的设置于承载结构50上。承载结构50用于对第一支撑结构60a和第二支撑结构60b进行支撑。调节单元42和测量单元43例如设置于第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间，即当观察者佩戴该AR眼镜时，调节单元42和测量单元43位于左眼70a和右眼70b中间靠近鼻梁的位置。调节单元42可用于调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b位于承载结构50的位置，以使第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的距离改变。测量单元43用于记录第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间距离改变值。

第一支撑结构60a和第二支撑结构60b内均设置有光线传播单元33。为了区分，第一支撑结构60a内的光线传播单元33为第一光线传播单元33a，第二支撑结构60b内的光线传播单元33为第二光线传播单元33b。第一佩戴座120a和第二佩戴座120b内均设置于有显示器31和透镜组32，其中，透镜组32包括至少一个透镜，用于对显示器31显示的图像进行放大或缩小。为了区分，第一佩戴座120a内的显示器31为第一显示器31a，以及透镜组32为第一透镜组32a。第二佩戴座120b内的显示器31为第二显示器31b，以及透镜组32为第二透镜组32b。当观察者通过第一佩戴座120a和第二佩戴座120b佩戴AR眼镜时，第一显示器31a和第二显示器31b分别为观察者的两个眼睛提供显示内容。例如，第一显示器31a为观察者的左眼70a提供显示内容，第二显示器31b为观察者的右眼70b提供显示内容；或者，第一显示器31a为观察者的右眼70b提供显示内容，第二显示器31b为观察者的左眼70a提供显示内容，其中，本申请实施例均以第一显示器31a为观察者的左眼70a提供显示内容，第二显示器31b为观察者的右眼70b提供显示内容为例进行的说明。

第一佩戴座120a和第二佩戴座120b内均设置有检测单元41。为了区分，第一佩戴座120a内的检测单元41为第一检测单元41a。第二佩戴座120b内的检测单元41为第二检测单元41b。本申请实施例对图2中其他结构的位置不作限定。

示例性的，当AR眼镜通过第一佩戴座120a和第二佩戴座120b佩戴在观察者头部时，观察者的左眼70a反射的光线（图4中左侧虚线箭头所指）通过第一光线传播单元33a被第一检测单元41a采集，即在第一检测单元41a的像面显示观察者左眼70a的图片。观察者的右眼70b反射的光线（图4中右侧虚线箭头所指）通过第二光线传播单元33b被第二检测单元41b采集，即在第二检测单元41b的像面显示观察者右眼70b的图片。

然后，判断左眼70a的光轴是否与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，判断右眼70b是否与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。

具体判断步骤为：参见图5，在出厂前需要对AR眼镜进行标定，标定的目的是为了使观察者左眼的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，使观察者右眼的光轴与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。需要说明的是，出厂前对AR眼镜进行标定是以一般成年人的瞳间距（例如瞳间距为63 mm）进行标定的，即，默认观察者的瞳间距为63 mm，当瞳间距为63 mm时，观察者左眼的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，使观察者右眼的光轴与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。换言之，AR眼镜在出厂前标定是为了人眼（瞳间距为63 mm）光轴与光学显示模块30中各单元的光轴重合。即图5中，当瞳间距为63 mm的观察者佩戴AR眼镜前，该观察者的人眼光轴与光学显示模块中各单元的光轴重合（位置①）。但是，不同年龄段、不同性别，不同种族的人，瞳孔间距存在差异。例如，最小的瞳间距只有49mm，最大的瞳间距有74mm，变化范围有25mm。也就是说，当新的观察者在佩戴该AR眼镜时，新的观察者的瞳间距可能不是63mm，所以需要进一步标定，以确定新的观察者眼睛的光轴是否与出厂前的光学显示模块30各单元的光轴重合。

假如，新的观察者的瞳间距为70 mm，则新的观察者的眼睛就会由位置①变为位置②，新的观察者的眼睛水平偏离光轴第一距离H1，表现在检测单元41像面上时，光轴水平偏离h1个像素。即此时，左眼70a的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴未重合，以及，右眼70b与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴未重合。

检测单元41将瞳间距偏差值反馈至控制模块10，控制模块10发送控制信号至调节单元42，调节单元42根据控制信号调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的间距，以使光学显示模块30中各结构的光轴与新的观察者的眼睛的光轴匹配，即使新的观察者的眼睛的光轴与光学显示模块30中各结构的光轴重合。或者，控制模块10将偏差值显示在显示器31上，观察者通过观察显示器31给出的指示信息，手动控制调节单元42，改变第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的间距，以使新的观察者的眼睛的光轴与光学显示模块30中各结构的光轴重合。

此时，测量单元43可以记录第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的位移量，根据位移量以及出厂前AR眼镜的瞳间距，计算调整后AR眼镜的瞳间距，然后固定第一支撑结构60a和第二支撑结构60b。

接着，AR眼镜按照新的瞳间距数据输出三维内容。即，此时，第一显示器31a发出的光线（图4中左侧实线箭头所指）传输至第一光线传播单元33a，然后在观察者的左眼70a成像，以及，第二显示器31b发出的光线（图4中右侧实线箭头所指）传输至第二光线传播单元33b，然后在观察者的右眼70b成像，完成3D（三维）图像显示。由于光学显示模块30中各结构的光轴与该观察者的眼睛的光轴重合，因此，该3D图像为正确的3D图像。

当然，如果新的观察者地瞳间距正好是63mm，则不需要调整瞳间距，可以按照出厂前的瞳间距进行工作，显示三维内容即可。

需要说明的是，检测单元41像面的水平偏差反映的是观察者光轴与光学显示模块30中各结构的光轴的水平偏差，以此可以指导调整AR眼镜瞳间距匹配用户瞳孔间距。检测单元41像面的竖直平偏差反映的是观察者光轴与光学显示模块30中各结构的光轴的竖直偏差，表现是观察者佩戴AR眼镜的姿态是否正确。图5仅以观察者的眼睛水平偏离光轴第一距离H1，检测单元41像面水平偏离h1个像素为例进行的说明。

可以理解的是，当检测单元41的分辨率足够大时，像素的偏移可以更加精确地反映人眼的光轴与光学显示模块各单元光轴的偏差。

综上，通过调节单元42和测量单元43相结合，可以精确的确定观察者的瞳间距，并根据观察者的瞳间距，调整三维显示的内容，以匹配观察者的瞳间距，显示效果好，且观察者不容易产生疲劳或头痛等问题，提升用户体验。此外，通过测量单元42和光学显示模块30共光路（光线传播单元33即传输眼睛反射的光线，也传输显示器31发出的光线）的设计，较大程度的减小了AR眼镜的体积和重量。

此外，参见图6，AR眼镜还包括预警模块80。当新的观察者眼睛光轴与光学显示模块30中各结构的光轴的存在水平偏差时，预警模块80用于提醒观察者通过调节单元42调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的间距。当新的观察者眼睛光轴与光学显示模块30中各结构的光轴存在竖直偏差时，预警模块80用于提醒观察者重新调整佩戴的姿态，进一步提高用户体验。

此外，为了保证瞳间距检测单元41采集的图像具有足够的亮度，参见图7，第一支撑结构60a和第二支撑结构60b分别设置有多个补光灯61，其中，补光灯61例如包括可以发出对人眼无害的红外光（700nm-1200nm），且不会影响显示的发光二极管。多个补光灯61发出的光线照亮观察者的左眼70a和右眼70b。

对于显示器31的类型，本申请实施例对显示器31的类型不作特殊限定。示例性的显示器31例如包括液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）面板、有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）显示面板和LED显示面板等，其中，LED显示面板例如包括Micro-LED显示面板、Mini-LED显示面板等。

透镜组32中的透镜可以为塑胶透镜，也可以为玻璃透镜。当透镜组32包括多个透镜时，多个透镜的类型可以相同，也可以不同，即可以都为塑胶透镜，也可以都为玻璃透镜，还可以为塑胶透镜和玻璃透镜的组合。

对于光线传播单元33的类型，本申请实施例对光线传播单元33的类型不作特殊限定。只要可以将显示器31发出的光线以及人眼反射的光线进行传播以及将外界光线透过即可。

一种可能实现的方式中，继续参见图4，光线传播单元33包括波导。当光线传播单元33包括波导时，光线传播单元33还包括耦合入单元331和耦合出单元332。耦合入单元331和耦合出单元332例如均为耦合器。为了区分，第一光线传播单元33a的耦合入单元331为第一耦合入单元331a，耦合出单元332为第一耦合出单元332a。第二光线传播单元33b的耦入耦合器331为第二耦入耦合器331b，耦合出单元332为第二耦合出单元332b。由于在对眼睛反射光线进行传播时，以及，对显示器31发出的光线进行传播时，共用一个波导，因此，在将显示器31发出的光线耦出至人眼的耦合出单元332同时也为将眼睛反射光线耦入至波导的耦合入单元331。

具体的，左眼70a反射的光线被第一耦合入单元331a耦合至波导中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达出第一耦合出单元332a时被耦合出波导后在第一检测单元41a成像，以及，第一显示器31a发出的光线被第一耦合入单元331a耦合至波导中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达第一耦合出单元332a时被耦合出波导后进入左眼70a成像。右眼70b反射的光线被第二耦合入单元331b耦合至波导中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达出第二耦合出单元332b时被耦合出波导后在第二检测单元41b成像，以及，第二显示器31b发出的光线被第二耦合入单元331b耦合至波导中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达第二耦合出单元332b时被耦合出波导后进入右眼70b成像。由于用波导折叠了光路，因此，AR眼镜体积相对较小。

当光线传播单元33包括波导时，检测单元41对应的耦合出单元332和光学显示模块30对应的耦合入单元331二者可以分别具有单独的耦合出单元332和耦合入单元331，如图4所示。或者，检测单元41对应的耦合出单元332和光学显示模块30对应的耦合入单元331可以共用，如图8所示。

继续参见图8，当检测单元41对应的耦合出单元332和光学显示模块30对应的耦合入单元331共用时，需要采用分光的方式件二者的信号分离。即AR眼镜还包括分光棱镜44。也就是说，人眼反射的光线传播的路径上以及显示器31发出的光线传播的路径上设置有分光棱镜44。由于人眼反射的光线（近红外780-1100nm）和显示器31发出的光线（可见光380-780nm）采用的波段不同，因此，可通过分光棱镜44进行分光。

需要说明的是，图8仅以AR眼镜的一侧（图8中的左侧）设置分光棱镜44为例进行的说明。

当光线传播单元33包括波导时，波导可以是几何波导和衍射波导（体全息波导、表面浮雕光栅），波导扩瞳的方式可以是一维扩瞳，也可以是二维扩瞳，本申请实施例对此不作限定。

又一种可能实现的方式中，参见图9，光线传播单元33包括自由曲面棱镜。通过自由曲面棱镜对人眼反射的光线以及显示器31发出的光线进行传播。

再一种可能实现的方式中，参见图10，光线传播单元33包括自由曲面反射镜。通过自由曲面反射镜对人眼反射的光线以及显示器31发出的光线进行传播。

对于检测单元41的类型，本申请实施例对检测单元41的类型不作限定。

一种可能的实现方式中，继续参见图4，检测单元41包括相机，相机包括镜头组411和图像传感器412。通过相机采集人眼的图像，并判断人眼是否偏移。

对于调节单元42的具体结构，本申请实施例对调节单元42的具体结构不作限定。例如，调节单元42为齿轮，通过齿轮使得第一支撑结构60a和第二支撑结构60b以彼此远离或靠近的方式移动，即第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距改变，以使观察者的眼睛的光轴与光学显示模块30的光学显示模块30中各结构的光轴重合。

对于如何确定调整后的AR眼镜的瞳间距，本申请实施例对此不作限定。

一种可能实现的方式中，参见图11，测量单元43包括光栅尺。光栅尺由标尺光栅431和光栅读数头两部分组成。光栅读数头包括光源432、会聚透镜433、指示光栅434、光敏元件435及驱动电路436。

当调节单元42使得第一支撑结构60a和第二支撑结构60b移动时，拉动了标尺光栅431运动，标尺光栅431一运动。光敏元件435上就会产生明暗的条纹，进而确定第一支撑结构60a和第二支撑结构60b移动的位移量。对于通过光栅尺确定第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的位移量的原理可参照已有技术实施例中的技术方案，本申请实施例不再赘述。

通过光栅尺确定第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的位移量精度高。

此外，为了给存在视力缺陷（近视、远视、散光等）的观察者提供更加舒适的使用体验。参见图12，AR眼镜还包括视度调节模块90。通过视度调节模块90进行视度补偿，以满足不同观察者的需求。

对于视度调节模块90的类型以及设置位置，本申请实施例对视度调节模块90的类型以及设置位置不作限定。

一种可能实现的方式中，继续参见图12，视度调节模块90包括两个可拆卸透镜91，两个可拆卸透镜91可拆卸的设置于第一支撑结构60a和第二支撑结构60b朝向人眼的一侧上。也就是说，针对不同的用户，定制相应的镜片。示例性的，当观察者为近视者，且左右眼的度数均为200°。则将200°镜片设置于第一支撑结构60a和第二支撑结构60b朝向人眼的一侧上即可。当观察者为近视者，且左右眼的度数均为300°。则将300°镜片设置于第一支撑结构60a和第二支撑结构60b朝向人眼的一侧上即可。

又一种可能实现的方式中，参见图13，视度调节模块90包括两组可调谐透镜组92，每组可调谐透镜组92包括第一可调谐透镜921和第二可调谐透镜921，其中一组可调谐透镜组92中的第一可调谐透镜921和第二可调谐透镜922固定于第一支撑结构60a的相对两侧。另一组可调谐透镜组92中的第一可调谐透镜921和第二可调谐透镜922固定于第二支撑结构60b的相对两侧。第二可调谐透镜922用于调整虚像距。第一可调谐透镜921和第二可调谐透镜922组合，保证外界光线经过第一可调谐透镜921和第二可调谐透镜922光焦度为零。

由于可调谐透镜可以根据电压直接改变对应的度数，这样，针对不同具有视力缺陷的用户，无需更换不同的透镜。

本申请实施例还提供一种头戴式显示装置的控制方法，该头戴式显示装置的控制方法例如可以应用于本实施例中的头戴式显示装置，具有相同的有益效果，在该实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述头戴式显示装置的实施例。下面结合图4和图7所示的头戴式显示装置对头戴式显示装置的控制方法进行介绍。

如图14所示，头戴式显示装置的控制方法可通过如下步骤实现：

S1401、控制模块控制补光灯打开，其中，AR眼镜的瞳间距为预设人眼瞳间距。

当新的观察者佩戴AR眼镜时，控制模块10控制补光灯61点亮，多个补光灯61发出的光线照亮观察者的左眼70a和右眼70b。

在步骤S1401之前，还包括：AR眼镜出厂前的标定。即以预设人眼瞳间距（例如为一般成年人的瞳间距63 mm），确定观察者左眼的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，使观察者右眼的光轴与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。并且在确定左眼的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，右眼的光轴与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合时，确定观察者左眼（观察者的瞳间距为63 mm）在第一检测单元41a像面的位置，即第一预设位置，以及，确定右眼在第二检测单元41b像面的位置，即第二预设位置。当新的观察者佩戴AR眼镜时，由于此时观察者的实际人眼瞳间距可能不是63 mm，所以需要进一步标定，以确定新的观察者眼睛的光轴是否出厂前的光轴重合。具体如下步骤。

S1402、第一检测单元和第二检测单元分别拍摄观察者左眼和右眼的图像。

观察者的左眼70a反射的光线（图4中左侧虚线箭头所指）通过第一光线传播单元33a被第一检测单元41a采集，即在第一检测单元41a的像面显示观察者左眼70a的图片。观察者的右眼70b反射的光线（图4中右侧虚线箭头所指）通过第二光线传播单元33b被第二检测单元41b采集，即在第二检测单元41b的像面显示观察者右眼70b的图片。

S1403、第一检测单元判断左眼的光轴是否与第一显示器的光轴、第一透镜组中各透镜的光轴以及第一光线传播单元的光轴重合，以及，第二检测单元判断右眼70b是否与第二显示器的光轴、第二透镜组中各透镜的光轴以及第二光线传播单元的光轴重合；若是，则执行步骤S1407；若否，则执行步骤S1404。

第一检测单元41a将实际采集的左眼70a的图像与第一预设位置进行比较，以及，第二检测单元41b将实际采集的右眼70b的图像与第二预设位置进行比较。

如果左眼70a的图像偏离第一预设位置，以及，右眼70b的图像偏离第二预设位置，例如均偏离h1个像素，则说明左眼70a的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴未重合，以及，右眼70b与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴未重合。此时需要通过调节单元42调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距。

如果左眼70a的图像与第一预设位置重合，以及，右眼70b的图像与第二预设位置重合，则说明左眼70a的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，右眼70b是否与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。此时不需要调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距。

S1404、控制模块通过调节单元自动调节第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距或者通过显示器和/或预警模块指示观察者手动调节调节单元，以使第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距改变；同时测量单元记录第一支撑结构和第二支撑结构的位移量。

当需要通过调节单元42调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距时，第一检测单元41a和第二检测单元41确定偏移量，并将偏移量发送至控制模块10。控制模块10基于偏移量确定调节单元42需要调节的距离，即通过调节单元42调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距。控制模块10可以通过设置一些驱动模块等结构，或者直接控制调节单元42进行调节，以使第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距改变。或者，控制模块10将需要调节的距离通过显示器31进行显示，观察者根据显示的内容手动对调节单元42进行调节，以使第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距改变。

在第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距改变的同时，测量单元43监测第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的位移量。

S1405、调整后，第一检测单元继续判断左眼的光轴是否与第一显示器的光轴、第一透镜组中各透镜的光轴以及第一光线传播单元的光轴重合，以及，第二检测单元判断右眼是否与第二显示器的光轴、第二透镜组中各透镜的光轴以及第二光线传播单元的光轴重合，若是，则执行步骤S1406；若否，则执行步骤S1404。

为了提高调节精度，防止调节单元42对第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距进行调节时，出现误差等问题，使得第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的位移量不满足需要调节的距离。因此，进一步调整后，需要确定左眼70a的光轴是否与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，右眼70b是否与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。

如果不重合，则继续按照上述步骤进行调节，以使左眼70a的光轴与第一显示器31a的光轴、第一透镜组32a中各透镜的光轴以及第一光线传播单元33a的光轴重合，以及，右眼70b与第二显示器31b的光轴、第二透镜组32b中各透镜的光轴以及第二光线传播单元33b的光轴重合。

如果重合，则不需要进行调节。

S1406、控制模块确定调整后的瞳间距，并固定第一支撑结构和第二支撑结构，完成一次瞳间距调整。

通过图1的介绍可知，只有确定实际人眼瞳间距，并基于实际人眼瞳间距显示虚拟物体时，显示器31显示的虚拟物体的距离与人眼感知的距离才会相同。因此，需要确定出调整后的AR眼镜的瞳间距（由于光路重合，因此与人眼实际的瞳间距相同）。通过调整之前的瞳间距和第一支撑结构60a和第二支撑结构60b的位移量即可计算出准确的瞳间距（观察者实际的瞳间距）。此时，调整完成。可以将第一支撑结构60a和第二支撑结构60b固定。

S1407、控制模块控制补光灯以及第一检测单元和第二检测单元关闭，第一显示器发出的光线传输至第一光线传播单元，然后在观察者的左眼成像，以及，第二显示器发出的光线传输至第二光线传播单元，然后在观察者的右眼成像，完成3D图像显示。

为了不影响显示以及节约能量，当瞳间距调节完成后，控制模块10控制补光灯61以及第一检测单元41a和第二检测单元41b关闭。然后，第一显示器31a发出的光线传输至第一光线传播单元33a，然后在观察者的左眼70a成像，以及，第二显示器31b发出的光线传输至第二光线传播单元33b，然后在观察者的右眼70b成像，完成3D图像显示。

由于显示的3D图像是基于新的观察者的瞳间距确定的，显示效果好，且观察者不容易产生疲劳或头痛等问题，提升用户体验。

此外，考虑到，在对AR眼镜的瞳间距进行调整过程中，会产生不可控的误差。而每次调节瞳间距时需要依赖于上一个测量结果，导致累积误差越来越大。因此，为了避免***误差影响调节精度。头戴式显示装置的控制方法还包括：

控制模块判断瞳间距调整次数是否超过预设次数；

若瞳间距调整次数超过预设次数，则控制模块通过调节单元自动调节第一支撑结构和第二支撑结构的瞳间距，以使第一支撑结构和第二支撑结构的之间的间距为预设人眼瞳间距；或者，控制模块提示观察者手动调节单元，以使第一支撑结构和第二支撑结构之间的间距为预设人眼瞳间距。

当瞳间距调整次数超过预设次数后，可以将AR眼镜的瞳间距恢复出厂时的瞳间距，以避免***误差影响调节精度。其中，本领域技术人员可以根据实际情况设置预设次数，本申请实施例对此不作限定。

当瞳间距调整次数超过预设次数后，控制模块10通过调节单元42自动调节第一支撑结构60a和第二支撑结构60b之间的间距，以使AR眼镜的瞳间距恢复出厂时的瞳间距，即预设人眼瞳间距。或者，控制模块10通过显示器31和/或预警模块80指示观察者手动调节调节单元42，以使AR眼镜的瞳间距恢复出厂时的瞳间距，即预设人眼瞳间距。或者，观察者明显感觉（头晕或眼部疲劳等）目前的设备瞳间距与自己的瞳间距不匹配时，观察者手动调节调节单元42，以使AR眼镜的瞳间距恢复出厂时的瞳间距，即预设人眼瞳间距。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：主体、第一佩戴座和第二佩戴座；所述第一佩戴座和所述第二佩戴座位于所述主体的两侧；所述主体部包括承载结构、第一支撑结构和第二支撑结构；所述第一支撑结构和所述第二支撑结构可移动的设置于所述承载结构上；

还包括：控制模块、光学显示模块和测量调节模块；所述光学显示模块包括第一显示器、第一光线传播单元、第二显示器、第二光线传播单元；所述测量调节模块包括第一检测单元、第二检测单元、测量单元和调节单元；

所述第一佩戴座内设置有所述第一显示器和所述第一检测单元，所述第二佩戴座内设置有所述第二显示器和所述第二检测单元；

所述第一支撑结构内设置有所述第一光线传播单元，所述第二支撑结构内设置有所述第二光线传播单元；

所述调节单元和所述测量单元设置于所述第一支撑结构和所述第二支撑结构之间；

观察者的左眼反射的光线通过所述第一光线传播单元在所述第一检测单元的像面上成像，观察者的右眼反射的光线通过所述第二光线传播单元在所述第二检测单元上成像；

当所述第一检测单元的像面成的像与第一预设位置不同，和，所述第二检测单元的像面成的像与第二预设位置不同时，所述调节单元用于调节所述第一支撑结构和所述第二支撑结构位于所述承载结构的位置，以使所述第一检测单元的像面成的像与第一预设位置相同，和，所述第二检测单元的像面成的像与第二预设位置相同；所述测量单元用于记录所述第一支撑结构和所述第二支撑结构的位移量；其中，所述第一预设位置为当所述头戴式显示装置的瞳间距为预设人眼瞳间距时，所述第一显示器和第一光线传播单元的光轴在所述第一检测单元像面的位置；所述第二预设位置为当所述头戴式显示装置的瞳间距为所述预设人眼瞳间距时，所述第二显示器和第二光线传播单元的光轴在所述第二检测单元像面的位置；

当所述第一检测单元的像面成的像与第一预设位置相同，和，所述第二检测单元的像面成的像与第二预设位置相同时，观察者的左眼的光轴与所述第一显示器的光轴和所述第一光线传播单元的光轴重合，以及，观察者的右眼的光轴与所述第二显示器的光轴和所述第二光线传播单元的光轴重合，所述控制模块用于根据所述位移量和所述预设人眼瞳间距确定实际人眼瞳间距；

基于所述实际人眼瞳间距，所述第一显示器发射的光线通过所述第一光线传播单元被所述观察者的左眼采集；以及，所述第二显示器发射的光线通过所述第二光线传播单元被所述观察者的右眼采集；

还包括多个补光灯，多个所述补光灯发出的光线照亮所述左眼和所述右眼；其中，所述补光灯发出的光线为红外光；

所述第一光线传播单元和所述第二光线传播单元均包括波导，所述第一光线传播单元包括第一耦合入单元和第一耦合出单元；所述第二光线传播单元包括第二耦合入单元和第二耦合出单元；当所述第一检测单元对应的所述第一耦合出单元和所述第一显示器对应的所述第一耦合入单元共用时，所述头戴式显示装置还包括分光棱镜；所述左眼反射的光线传播的路径上以及所述第一显示器发出的光线传播的路径上设置有所述分光棱镜；当所述第二检测单元对应的所述第二耦合出单元和所述第二显示器对应的所述第二耦合入单元共用时，所述头戴式显示装置还包括分光棱镜；所述右眼反射的光线传播的路径上以及所述第二显示器发出的光线传播的路径上设置有所述分光棱镜；或者，

所述第一光线传播单元和所述第二光线传播单元均包括自由曲面棱镜；或者，

所述第一光线传播单元和所述第二光线传播单元均包括自由曲面反射镜。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：预警模块；

当所述第一检测单元的像面成的像与第一预设位置不同，和，所述第二检测单元的像面成的像与第二预设位置不同时，所述预警模块用于提醒所述观察者重新调整佩戴所述头戴式显示装置的姿态。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构朝向所述观察者的一侧分别设置有多个所述补光灯。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述测量单元包括光栅尺。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括视度调节模块，用于进行视度补偿。

6.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述视度调节模块包括两个可拆卸透镜；所述两个可拆卸透镜可拆卸的设置于所述第一支撑结构和所述第二支撑结构朝向所述观察者的一侧上。

7.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述视度调节模块包括两组可调谐透镜组；每组所述可调谐透镜组包括第一可调谐透镜和第二可调谐透镜，其中一组可调谐透镜组中的第一可调谐透镜和第二可调谐透镜固定于所述第一支撑结构相对的两侧；另一组可调谐透镜组中的所述第一可调谐透镜和所述第二可调谐透镜固定于所述第二支撑结构相对的两侧。

8.一种头戴式显示装置的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的头戴式显示装置；

所述头戴式显示装置的控制方法包括：

采集所述左眼和所述右眼的图片；其中，所述头戴式显示装置的瞳间距为预设人眼瞳间距；

判断所述左眼的图片与所述第一预设位置是否相同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置是否相同；

如果所述左眼的图片与所述第一预设位置不同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置不同，则控制调节单元调节所述第一支撑结构和所述第二支撑结构位于所述承载结构的位置，以使所述左眼的图片与所述第一预设位置相同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置相同；且记录所述第一支撑结构和所述第二支撑结构的位移量；

根据所述位移量和所述预设人眼瞳间距确定实际人眼瞳间距；

基于所述实际人眼瞳间距，控制所述第一显示器发射光线，以使所述第一显示器发射的光线通过所述第一光线传播单元被所述左眼采集；以及，控制所述第二显示器发射光线，以使所述第二显示器发射的光线通过所述第二光线传播单元被所述右眼采集。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，如果所述左眼的图片与所述第一预设位置相同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置相同，则基于所述预设人眼瞳间距，控制所述第一显示器发射光线，以使所述第一显示器发射的光线通过所述第一光线传播单元被所述左眼采集；以及，控制所述第二显示器发射光线，以使所述第二显示器发射的光线通过所述第二光线传播单元被所述右眼采集。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，根据所述位移量和所述预设人眼瞳间距确定实际人眼瞳间距之前，还包括：

判断所述左眼的图片与所述第一预设位置是否相同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置是否相同；

如果所述左眼的图片与所述第一预设位置不同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置不同，则重复执行控制调节单元调节所述第一支撑结构和所述第二支撑结构位于所述承载结构的位置，且记录所述第一支撑结构和所述第二支撑结构的位移量的步骤，直至所述左眼的图片与所述第一预设位置相同，以及所述右眼的图片与所述第二预设位置相同。

11.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括：判断瞳间距调整次数是否超过预设次数；

若瞳间距调整次数超过预设次数，则通过所述调节单元调节所述第一支撑结构和所述第二支撑结构之间的间距，以使所述第一支撑结构和所述第二支撑结构之间的间距为所述预设人眼瞳间距；或者，提示所述观察者手动调节单元，以使所述第一支撑结构和所述第二支撑结构之间的间距为所述预设人眼瞳间距。

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