CN116203733A - 一种混合现实穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合现实穿戴设备，采用穿戴式的设计思路，将护目镜、视频采集、显示等功能一体化集成设计，形成头部佩戴使用的穿戴设备。采用轻量化设计、高效电源管理等手段降低设备重量、延长连续工作时间。采用结构匹配性仿真设计，并结合人体工学进行优化，从而优化设备配重、提升穿戴舒适性和使用操作便捷性。

Description

一种混合现实穿戴设备

技术领域

本发明涉及混合现实技术领域，特别是涉及一种穿戴舒适性和使用便捷性高的混合现实穿戴设备。

背景技术

从目前全球发展分析，未来世界将展现出智能化、网络化、无人化、多元化等多种形态。混合现实技术（MR）是通过在虚拟环境中引入现实场景信息，将虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈信息的桥梁，从而增强用户体验的真实感。是虚拟现实和增强现实技术的深入和强化。

混合现实技术可以将真实环境与虚拟信息叠加显示到同一画面和空间，实现信息间的融合与交互，从而使用户在使用时达到超越现实的感官体验。用户在使用头戴式混合现实增强显示设备时，为了实现对三维模型的多视角查看，需实时定位用户头部位置调节模型渲染。用户可以通过手势向***发送简单的命令，如选择、移动和删除，还可以表达更复杂的意图，如切换当前交互场景、控制虚拟对象和执行虚拟动作等。

虚实结合的三维场景匹配技术是随着计算机软硬件的发展而开始拥有应用需求的一种新型显示匹配技术。虚实结合技术能够将虚拟环境融合到用户周围的真实场景中,从而提供直观和增强的使用体验;而三维匹配技术在三维空间中拥有更高操作自由度，从而形成更加直观与真实的感受。

混合现实最底层的交互依赖于硬件设备，设备的性能和传感器种类决定了设备拥有的基本交互方式。随着混合现实增强显示技术日新月异的发展，它应用的对象已经不仅仅局限于某一个特定的物体或者某一个特定的环境；它应该具备能够处理应对各种复杂多变环境的能力。采用穿戴式的设计思路，将护目镜、视频采集、显示等功能一体化集成设计，形成头部佩戴使用的信息化设备，充分发挥各技术在***上的稳定集成以及各***组件的性能，使混合现实的增强显示与交互***达到理想使用状态。然而，由于头部佩戴使用的信息化设备集成了多种部件，对于穿戴舒适性和使用便捷性提出了极高的要求。

因此，如何提供一种穿戴舒适和使用操作便捷的头部佩戴使用的信息化设备，是迫切需要本领域技术人员解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供用于克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种混合现实穿戴设备。

本发明提供了如下方案：

一种混合现实穿戴设备，包括：

头部装具以及固定带，所述固定带的第一端与所述头部装具和头部后脑相对位置固定相连，所述固定带的第二端可绕过所述头部装具的顶部并在所述头部装具的额头位置形成自由端；

综合信息处理单元，所述综合信息处理单元包括护目镜以及信息化组件；所述信息化组件与所述护目镜相连，所述信息化组件包括双目光波导显示模组，所述双目光波导显示模组用于实现显示真实环境与虚拟信息叠加画面；所述双目光波导显示模组包含的光波传输介质具有自由曲面全息波导显示结构；

供电单元，所述供电单元与所述头部装具的正后方的外侧相连；所述供电单元用于为所述信息化组件供电；

其中，所述护目镜包括镜框以及镜片，所述镜框与所述固定带的第二端相连，以使所述镜框与用户的脸颊以及鼻梁接触；所述镜框的材质为TPU塑料，所述镜框与所述用户的脸颊以及鼻梁接触的部位设置有天然橡胶缓冲垫；所述镜片的材质为聚碳酸酯。

优选地：所述头部装具的外侧设置有固定架，所述固定带与所述固定架相连；所述固定架的前端与所述头部装具的表面形成卡槽，所述信息化组件的内侧设置有硅胶卡块，所述镜框与所述固定带相连后所述硅胶卡块与所述卡槽卡接相连。

优选地：所述镜框的外侧设置有卡扣，所述固定带的第二端通过所述卡扣与所述镜框相连；所述固定带的第二端与所述头部装具相连位置处设置有硅胶防滑套。

优选地：所述镜片的内层采用玻璃疏水镀膜加工，所述镜片的外层采用多层防逆光反射镀膜方式加工。

优选地：所述供电单元包括电池仓，所述电池仓以及所述镜框各自的内部均设置有金属屏蔽漆层。

优选地：所述镜框上位于所述双目光波导显示模组的入瞳区域设置有视度矫正镜片安装机构。

优选地：所述双目光波导显示模组包含的所述光波传输介质以视线与屏幕垂足为中心，屏幕范围以垂足为基点，左右扩展18.5-19.5毫米。

优选地：所述光波传输介质包括至少一层光波导以及贴附于至少一层所述光波导表面的体全息光栅。

优选地：所述体全息光栅包括多区域光栅结构，所述多区域光栅结构包括若干组体全息光栅，若干组所述体全息光栅分别用于一一对应的将若干不同视角的输入图像进行耦合后输出。

优选地：所述信息化组件还包括双目相机，所述双目相机用于实现真实环境的视频采集；所述双目相机的标定方法包括：

以棋盘格作为标定板采用所述双目相机的左右两个摄像机分别从不同角度采集一系列静态标定图片；

通过一系列所述静态标定图片分别对左右两个所述摄像机进行单目标定；

基于所述单目标定的标定结果对所述双目相机进行双目标定；

根据所述双目标定得出的所述双目相机的内外参数据结果对所述双目相机进行校正，使画面视场与目视光学***的显示视场一致且双目图像的高度一致。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本申请实施例提供的一种混合现实穿戴设备，采用穿戴式的设计思路，将护目镜、视频采集、显示等功能一体化集成设计，形成头部佩戴使用的穿戴设备。综合信息处理单元以及供电单元作为重量较大的部件，被布置在头部装具的前后，有效的平衡了重量分布。通过固定带对综合信息处理单元进行固定，依靠脸颊、鼻梁和后脑三个部位为***提供着力支撑，既能达到舒适性要求，同时还可以保证护目镜不会滑落。

同时，在优选的实施方式下，采用光波导加体全息光栅的显示技术方案，通过贴附在光波导表面的体全息光栅，打破了全反射的界面规则，改变了光信息传播的方向和能量，进而引导了光信息从波导内部传输到人眼。结合提供的波导分层方案可实现大视角的图像显示。

另外，在另一种优选的实施方式下，通过所采集画面对双目相机进行标定配准，可以使画面视场与目视光学***的显示视场一致，且双目图像的高度一致，合像完好消除畸变。防止使用者在使用过程中出现眩晕、眼睛干涩、眼胀、眼疲劳等一系列不适运动病症。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种混合现实穿戴设备的结构示意图;

图2是本发明实施例提供的一种混合现实穿戴设备的局部剖视图；

图3是本发明实施例提供的男性瞳孔间距取值范围正态分布图；

图4是本发明实施例提供的瞳距设计示意图；

图5是本发明实施例提供的多区域光栅原理图；

图6是本发明实施例提供的立体视差示意图。

图中：头部装具1、固定架11、固定带2、综合信息处理单元3、护目镜31、镜框311、镜片312、信息化组件32、硅胶卡块33、卡扣34、供电单元4、用户头部5、101和201为第一组体全息光栅、102和202为第二组体全息光栅、103和203为第三组体全息光栅。

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的一部分实施例，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，为本发明实施例提供的一种混合现实穿戴设备，如图1所示，该设备可以包括：

头部装具1以及固定带2，所述固定带2的第一端与所述头部装具1和头部后脑相对位置固定相连，所述固定带2的第二端可绕过所述头部装具1的顶部并在所述头部装具1的额头位置形成自由端；

综合信息处理单元3，所述综合信息处理单元3包括护目镜31以及信息化组件32；所述信息化组件32与所述护目镜31相连，所述信息化组件32包括双目光波导显示模组，所述双目光波导显示模组用于实现显示真实环境与虚拟信息叠加画面；所述双目光波导显示模组包含的光波传输介质具有自由曲面全息波导显示结构；

供电单元4，所述供电单元4与所述头部装具1的正后方的外侧相连；所述供电单元4用于为所述信息化组件32供电；

其中，所述护目镜31包括镜框311以及镜片312，所述镜框311与所述固定带2的第二端相连，以使所述镜框311与用户的脸颊以及鼻梁接触；所述镜框311的材质为TPU塑料，所述镜框311与所述用户的脸颊以及鼻梁接触的部位设置有天然橡胶缓冲垫；所述镜片312的材质为聚碳酸酯。

本申请实施例提供的混合现实穿戴设备，采用头戴式的设计，将护目镜、视频采集、显示等功能一体化集成设计，形成头部佩戴使用的信息化穿戴设备，穿戴舒适性和使用便捷性都得到了有效的提升。

综合信息处理单元以及供电单元作为重量较大的部件，被布置在头部装具的前后，有效的平衡了重量分布。通过固定带对综合信息处理单元进行固定，依靠脸颊、鼻梁和后脑三个部位为***提供着力支撑，既能达到舒适性要求，同时还可以保证护目镜不会滑落。

镜框采用TPU超软性弹力塑料材质，该材质在-40～65℃的温度范围内均能保持良好的弹性和柔顺性，采用该材质加工的镜框具有较好的韧性。镜框与眼面部接触区域根据人面部轮廓设计缓冲垫，缓冲垫采用天然橡胶材质，具有弹性好、柔软等特点，不仅能较好的贴合面部，防止漏光，而且能有效降低眼镜受冲击时对面部的伤害。

镜片材质选用抗紫外耐候聚碳酸酯（PC），该材料是一种无色透明的热塑料，具有重量轻、耐热老化、抗冲击性能好、防紫外线、易于加工等特点，被广泛应用于眼镜镜片、防弹玻璃等产品。采用PC材质制成的眼镜镜片不仅能够100%抗紫外线（UV400），而且比玻璃镜片轻57%，比树脂镜片轻37%。抗冲击能力是玻璃的60倍，简支梁冲击强度为50～70KJ/m²，且具有只裂不碎的特点，仅7毫米厚度的PC镜片即可抵御168米/秒的1.1克破片的伤害。

为了进一步的提高综合信息处理单元与头部装具连接后的稳定性，如图2所示，本申请实施例还可以提供所述头部装具1的外侧设置有固定架11，所述固定带2与所述固定架11相连；所述固定架11的前端与所述头部装具1的表面形成卡槽，所述信息化组件32的内侧设置有硅胶卡块33，所述镜框311与所述固定带2相连后所述硅胶卡块33与所述卡槽卡接相连。所述镜框311的外侧设置有卡扣34，所述固定带2的第二端通过所述卡扣34与所述镜框311相连；所述固定带2的第二端与所述头部装具相连位置处设置有硅胶防滑套。

固定带可以采用可调节松紧带套于用户头部5位置，在固定带的后脑位置设计硅胶防滑套，依靠脸颊、鼻梁和后脑三个部位为***提供着力支撑，松紧带采用双层设计，能够很好的保证佩戴安全，同时预留头顶部固定带安装卡扣，能进一步牢固佩戴，固定带采用硅胶止滑设计，结合多点支撑可有效防止眼镜滑落。

在加工工艺方面，多功能眼镜镜框、橡胶缓冲垫模具以及镜片采用无毒环氧树脂粘合剂安装固定。进一步的，所述镜片312的内层采用玻璃疏水镀膜加工，所述镜片312的外层采用多层防逆光反射镀膜方式加工。PC镜片采用注塑成型加工工艺，内层采用玻璃疏水镀膜加工，可使镜片具备憎水功能，外层采用多层防逆光反射镀膜（AR）方式，可有效防止双目光波导显示模组光源产生的光线通过镜片外泄，降低夜间的可见光特征。

本申请实施例提供的护目镜与人面部结合部位采用了软性材料，具有一定的缓冲效果，能提高用户佩戴舒适感，同时适应不同用户的面部差异。可调节固定带具有伸缩弹性功能保证其佩戴紧固，减轻用户头部的压迫感。鼻梁护罩设计贴合人机形态，提高人机舒适性。

为了进一步的提高佩戴的舒适性，本申请实施例还可以提供在设计上充分考虑结构配重，将重量较重的功能模块放置于头部左右两侧，避免了前后、左右重量失衡。结构方面采用轻量化设计，大量采用高分子材料，既保证了设备强度，又减轻了重量，可有效减轻颈部负荷，提升穿戴舒适性。通过佩戴在头部装具上，通过头部装具整体受力在头部。前后配重，避免佩戴后重心太靠前；柔性材料与面部接触，形成影像暗室。为整体平衡和配重，将电池后方下置，将线路隐藏于固定带内。通过以上设计，将整体重量支撑从鼻梁转移到颈椎中心，并通过头部装具进行支撑，提升用户的佩戴舒适度。

为适应用户的可穿戴要求，需要与轻量化全包式防护头部装具进行结构匹配。在实际应用中可以选择轻型防护头部装具进行结构适配。结合部位采用半柔性材料，形成紧密结合。同时，硅胶卡块与固定架的前端和头部装具的表面形成卡槽实现精密的贴合。

为避免综合信息处理单元与头部装具缝隙漏水，在紧密结合的基础上，还可以设计左右分流槽，避免向内渗水。

可以理解的是，本申请实施例提供的综合信息处理单元还可以包括实现混合现实图像采集以及显示所必需的部件。例如，还可以包括计算平台。

为了进一步的实现该穿戴设备的轻量化以及低功率需求，本申请实施例还可以提供基于嵌入式的边缘计算平台。由于边缘计算平台的计算资源往往非常有限，如果能通过轻量化的方法，降低算法运行时使用的资源，提升运行速度，对整个***的性能优化都非常重要。

轻量化意味着在保证精度符合要求的前提下，减小算法模型的参数量和计算量，加快运行速率。基于神经网络的弱小目标检测和融合增强算法都使用深层堆叠的卷积网络模块作为特征提取、映射学习的基础，虽然该***的各子任务模块在方案设计时可以对模型在边缘设备上实时运行进行考量，在模型设计方面做一定程度处理，综合考虑整个***的各个模块，从多任务协同等角度对各子任务进一步轻量化，将大大提升整套设备的实时性能。

在该***边缘计算模块中，采用高性能嵌入式ARM平台以及异构芯片平台瑞芯微RK3588，立足于当前深度学习中的计算机视觉目标检测方向，并研究轻量化模型的结构设计与模型的轻量化转化方法以及模型的压缩等计算量缩减方法，可以提供一个面向边缘计算的深度目标检测模型。

网络模型轻量化主要分为多任务协同优化、网络结构轻量化、模型压缩三部分，目标检测识别任务和融合增强显示任务都包含大量的参数和复杂计算，通过共享子模块的方式实现二者的任务协同，可大大降低***整体运行时的资源消耗。再对网络结构的基础操作进行轻量化的重新设计，并通过模型压缩的方式进一步减少模型尺寸，最终得到轻量化之后的网络模型。

嵌入式平台上的算法移植是算法最终落地的关键一步，同时也是整个轻量化方案中的重要步骤。移植优化流程可以包括标准计算图模型转换、算法移植和运行时加速三个步骤。

在主流AI框架下训练好的算法模型并不能直接移植到瑞芯微平台上，需要先转为标准的计算图模型ONNX（Open Neural Network Exchange）格式。这是因为每种深度学***台（一般仅支持NVIDIA的设备）。本申请实施例提供的***可以采用国产瑞芯微RK3588芯片，相关的AI计算平台尚不完善，主流的AI框架也并未对该芯片做适配，所以需要先转换为ONNX格式。

将ONNX格式的标准计算图网络模型移植到瑞芯微RK3588芯片平台上，主要包含平台相关操作的重新实现、核心算子转换、算子合并优化、模型量化、精度校验等。RK3588由四核ARM Corte A76和四核ARM Corte A55 CPU组成,内置6 TOPs的独立NPU，在内核驱动和相关底层模块中做了特殊设计与优化，为常用的边缘计算任务提供更好的支持。针对RK3588芯片平台相关操作的重新实现，是移植工作的重要步骤。此外，核心算子的转化与合并优化是移植的核心工作，最终训练好的深度学***台针对多个算子进行合并优化，从内存分配和任务调度方面设计动态化的策略，均需要在实际研究过程中做出试验和设计，进而加速算子的运行效率。

最后，结合RK3588芯片的运行时环境，根据其提供的底层推理引擎和工具，调用底层功能模块，使用大规模的NPU计算单元进行并行计算，实现深度学习模型运行时的进一步加速。

进一步的，所述供电单元4包括电池仓，所述电池仓以及所述镜框各自的内部均设置有金属屏蔽漆层。镜框和电池仓均采用ABS塑料材质，镜框内部喷涂金属屏蔽漆，具备一定的电磁防护效果，卫星定位天线和WIFI/蓝牙天线设计独立的腔体且采用非屏蔽材料进行密封固定。

护目镜设计充分考虑亚洲人脸型和面部轮廓特征，与人面部结合部位采用天然橡胶材质，具有一定的缓冲效果，能提高用户佩戴舒适感，可调节固定带具有伸缩弹性功能保证其佩戴紧固，减轻用户头部的压迫感。

为了可以针对佩戴用户视力情况进行视力矫正以进一步提高舒适性，本申请实施例还可以提供所述镜框上位于所述双目光波导显示模组的入瞳区域设置有视度矫正镜片安装机构。在双目光波导显示模组处入瞳区域预留视度矫正镜片安装机构，可根据使用者视度情况安装视度矫正镜片，满足不同视力使用者的需求。低照度摄像头模组采用可调节方式，能减轻因透射式显示器虚实场景融合显示引起的人眼观察疲劳，提升观察舒适性。

在设计上充分考虑结构配重，将重量较重的功能模块放置于头部左右两侧，避免了前后、左右重量失衡。结构方面采用轻量化设计，大量采用高分子材料，既保证了设备强度，又减轻了重量，可有效减轻颈部负荷，提升穿戴舒适性。

基于混合现实的增强显示与交互***的该设备设计立足于国内用户使用需求，遵循人机工程设计准则，结合亚洲人脸面部模型数据集和不同穿戴习惯差异，着力开展人因工程设计，从整机重量、配重分布、显示出瞳距、双目瞳距等方面约束结构布局，以提升人机工效性和不同用户适用性。

为了进一步的提高佩戴舒适性，满足用户瞳间距和瞳距生理参数最适需求，本申请实施例还可以提供所述双目光波导显示模组包含的所述光波传输介质以视线与屏幕垂足为中心，屏幕范围以垂足为基点，左右扩展18.5-19.5毫米。进一步的左右扩展19毫米.

显示瞳距设计，根据瞳距数据调研和分析，东亚成年男性瞳距中位数为65.2毫米。瞳距分布呈正态分布状，选取第5和第95百分位为最佳影像区间上下范围。如图3所示。

同时，在光波导布局时，以视线与屏幕垂足为中心。屏幕范围以垂足为基点，左右扩展19毫米。完全覆盖瞳距值上下偏差。不同瞳距会缩小有效最佳成像范围，通过分辨率、景深等匹配最佳效果，如图4所示。

另外，可以加入微调装置，具备针对双目光波导显示模组位置微调功能，以适配不同使用者瞳间距和瞳距生理参数。

为了进一步的实现大视场光波导显示，本申请实施例还可以提供所述光波传输介质包括至少一层光波导以及贴附于至少一层所述光波导表面的体全息光栅。进一步的，所述体全息光栅包括多区域光栅结构，所述多区域光栅结构包括若干组体全息光栅，若干组所述体全息光栅分别用于一一对应的将若干不同视角的输入图像进行耦合后输出。

采用光波导加体全息光栅的技术方案，通过贴附在光波导表面的体全息光栅，打破了全反射的界面规则，改变了光信息传播的方向和能量，进而引导了光信息从波导内部传输到人眼。

光学***设计，全息波导显示***具有体积小、重量轻的特点，在光学设计上需要考虑出瞳、视场、分辨率等问题。同时由于全息波导显示效率低，要考虑杂光和散射对于***对比度的影响。平行平板全息波导头盔显示***是无光焦度成像***，最主要的像差来源是由波导的不平行和光栅的不均匀衍射引起的。要减小***的像差，需要在制作全息波导时严格控制波导公差和光栅刻划工艺。自由曲面全息波导头盔显示***的成像原理与普通光学***类似，其中的自由曲面和光栅都可以看作反射或折射元件。

全息波导设计，全息波导是***的关键元件，主要起到耦合、传像和显像作用。全息光栅的主要是光栅的栅格形状和衍射效率的设计，以及光栅整体结构的设计。具有均匀亮度和高衍射效率的全息光栅，需要运用严格耦合波分析方法，进行电磁场分析。全息波导的结构和布局是光学***设计的重要考虑因素，特别是对于自由曲面全息波导头盔显示***。现有的全息波导结构具有多样性，各有其优缺点，要根据实际需要选择合理的结构型式，最终目标是实现自由曲面全息波导显示。

光栅制备技术，全息光栅的制备是保证***成像质量的关键。高质量的全息光栅，能够保证高的衍射效率和像质。为了完善全息波导成像方法，众多科研单位研究了多种用于头盔显示的全息光栅。这些光栅包括面光栅(威兹曼科学院)、体全息光栅(Sony、BAE)、倾斜光栅(诺基亚)、区域编码光栅(BLACES、蔡司)等。不同的全息光栅原理形状性能各异，制作工艺差异也很大。根据目前已经产品化的情况，体全息光栅是一种具有发展前途的全息光栅。全息光波导衍射光栅是基于体全息光栅的基础上开发。曝光时，激光器发出激光,通过分束镜之后分为具有一定光强比的光束，经过扩束准直及反射镜反射之后，入射到预涂好光胶的全息干板上，曝光干涉形成干涉条纹。

当光在玻璃基板上完全反射时，一旦到达全息表面就会发生衍射。而衍射光不再满足全反射的条件，将从玻璃板中发射出来。同时可以调节入瞳的大小，实现连续的出瞳区域。通过堆叠入耦合和出耦合体全息光栅，形成彩色的VHG耦合光栅波导。

采用大视场全息波导的理论设计方法，扩展全息衍射波导器件，可以容纳更多角度光线内部传输，意味着视场角FOV会越大。改变记录材料的折射率调制度和光栅厚度，银盐感光材料可以通过显影工艺调整折射率调制度0.03-0.1。

显微放大的感光薄膜全息衍射器件由一系列周期的条纹组成，相邻条纹的间隔在几百纳米;厚度d表示感光薄膜的厚度，一般大于3um(微米);折射率调制度参数，表示条纹之间的对比度。体全息光栅的衍射性能由间隔、厚度d、折射率调制度共同决定。衍射效率曲线表示参考光以不同入射角入射时，衍射光衍射效率（衍射光和参考光的比值）的大小，将衍射效率从最大值降低到第一个极小值的角度范围称为角度带宽，其表征视场角的大小，一般厚度越薄，折射率调制度越大，对应的带宽越大。视场角也就越大。

本申请实施例采用多区域光栅方案，此方案将耦合输入部分以及耦合输出部分均分为了两个或多个区域。以三个区域为例，如图5所示。101和201为第一组体全息光栅，对应第一个视角的图像；102和202为第二组体全息光栅，对应第二个视角的图像；103和203为第三组体全息光栅，对应第三个视角的图像。通过三个视角图像的叠加实现一个大视场角的图像显示。理论上，三区域光栅方案可将传统全息波导方案的视场角扩大三倍。

角度复用方案，采用角度复用的方法，在输入耦合体全息光栅以及输出耦合体全息光栅上复用两次或多次，从而有效增加全息波导***的视场角。

波导分层方案，可采用两层或多层波导来扩大视场角。理论上波导层数越多，视场角越大，但层数增加的同时设计以及加工难度也会大大增加，最优的，可以选择两层波导来扩大视场角。每一层波导均有两个体全息光栅，一个作为耦合输入光学元件，一个作为耦合输出光学元件。每一层波导均对应一个视角的图像，两层波导可以实现两个视角的叠加，较之传统全息波导，分层全息波导可实现大视角的图像显示。

波前转换技术，波前转换技术（WTT）的目的是偏置角带宽，通过产生特殊的波前面，控制光束的波前形状，使得单次曝光，可以在设定的出瞳处，扩展视场角至50°，对全息材料没有特殊要求。

可以理解的是，如图6所示，双目视差指的是双眼观察物体时，由于两眼的位置不一样，得到两幅稍有差别的图像。人脑融合稍有差别的两幅图像产生距离感、深度感和立体感。融合是指大脑能综合来自两眼的视差图像,并在知觉水平上形成一个完整印象的能力。这是在双眼同时知觉基础上,把落于两个视网膜对应点上的物像融合成一个完整印象的功能。视差担负着空间知觉的核心任务。由于人的双眼眼球的垂直观察角是相同的，水平观察角是不同的，通常所说的能产生立体感的视差是指水平视差。为了解决这一问题，本申请实施例可以提供所述信息化组件还包括双目相机，所述双目相机用于实现真实环境的视频采集；所述双目相机的标定方法包括：

以棋盘格作为标定板采用所述双目相机的左右两个摄像机分别从不同角度采集一系列静态标定图片；

通过一系列所述静态标定图片分别对左右两个所述摄像机进行单目标定；

基于所述单目标定的标定结果对所述双目相机进行双目标定；

根据所述双目标定得出的所述双目相机的内外参数据结果对所述双目相机进行校正，使画面视场与目视光学***的显示视场一致且双目图像的高度一致。

视觉效果不佳主要体现在两个方面：影响使用者生理健康、给使用者提供错误的感知。

其中，影响使用者生理健康表现为使用者在使用过程中出现眩晕、眼睛干涩、眼胀、眼疲劳等一系列运动病症。显示器上左右画面对应像素点没有对齐是引起视觉不适感的主要原因。人的左右眼可以在水平方向转动不同的角度，但是左右眼在竖直方向的转动角度必须一致。因此，如果显示器左右图像上对应的像素点具有不同的竖直坐标，那么人的左右眼会被强制性的在竖直方向转动不同的角度，进而引起运动病症。

同时，在双目立体视觉显示中，所显示画面在视场角、视轴、眼点位置、畸变等方面与人眼相应参数的差异也会造成画面与自然情况下的人眼视觉不符。因此，也需要对所采集画面及其采集装置进行标定配准。

双目相机存在一定的畸变以及组装精度不高是导致左右图像对应像素点无法严格对齐的主要原因。标定过程主要分为两个部分：第一部分是从不同角度采集棋盘格标定板的一系列静态图片；第二部分是分别对左右摄像机进行单目标定，然后基于左右摄像机的标定结果重新进行双目标定。

根据标定得出的双目相机内外参数据结果对左右两个摄像机进行校正，使画面视场与目视光学***的显示视场一致，且双目图像的高度一致，合像完好，消除畸变。最终得到一组理想的平行双目视觉模型。

总之，本申请提供的混合现实穿戴设备，采用穿戴式的设计思路，将护目镜、视频采集、显示等功能一体化集成设计，形成头部佩戴使用的穿戴设备。采用轻量化设计、高效电源管理等手段降低设备重量、延长连续工作时间。采用结构匹配性仿真设计，并结合人体工学进行优化，从而优化设备配重、提升穿戴舒适性和使用操作便捷性。

同时，采用光波导加体全息光栅的显示技术方案，通过贴附在光波导表面的体全息光栅，打破了全反射的界面规则，改变了光信息传播的方向和能量，进而引导了光信息从波导内部传输到人眼。形成了低成本、大视场、大出瞳的全息光波导显示模组。

另外，通过所采集画面对双目相机进行标定配准，可以使画面视场与目视光学***的显示视场一致，且双目图像的高度一致，合像完好，消除畸变。防止使用者在使用过程中出现眩晕、眼睛干涩、眼胀、眼疲劳等一系列不适运动病症。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加上必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的***及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合现实穿戴设备，其特征在于，包括：

头部装具以及固定带，所述固定带的第一端与所述头部装具和头部后脑相对位置固定相连，所述固定带的第二端可绕过所述头部装具的顶部并在所述头部装具的额头位置形成自由端；

综合信息处理单元，所述综合信息处理单元包括护目镜以及信息化组件；所述信息化组件与所述护目镜相连，所述信息化组件包括双目光波导显示模组，所述双目光波导显示模组用于实现显示真实环境与虚拟信息叠加画面；所述双目光波导显示模组包含的光波传输介质具有自由曲面全息波导显示结构；

供电单元，所述供电单元与所述头部装具的正后方的外侧相连；所述供电单元用于为所述信息化组件供电；

其中，所述护目镜包括镜框以及镜片，所述镜框与所述固定带的第二端相连，以使所述镜框与用户的脸颊以及鼻梁接触；所述镜框的材质为TPU塑料，所述镜框与所述用户的脸颊以及鼻梁接触的部位设置有天然橡胶缓冲垫；所述镜片的材质为聚碳酸酯。

2.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述头部装具的外侧设置有固定架，所述固定带与所述固定架相连；所述固定架的前端与所述头部装具的表面形成卡槽，所述信息化组件的内侧设置有硅胶卡块，所述镜框与所述固定带相连后所述硅胶卡块与所述卡槽卡接相连。

3.根据权利要求2所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述镜框的外侧设置有卡扣，所述固定带的第二端通过所述卡扣与所述镜框相连；所述固定带的第二端与所述头部装具相连位置处设置有硅胶防滑套。

4.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述镜片的内层采用玻璃疏水镀膜加工，所述镜片的外层采用多层防逆光反射镀膜方式加工。

5.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述供电单元包括电池仓，所述电池仓以及所述镜框各自的内部均设置有金属屏蔽漆层。

6.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述镜框上位于所述双目光波导显示模组的入瞳区域设置有视度矫正镜片安装机构。

7.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述双目光波导显示模组包含的所述光波传输介质以视线与屏幕垂足为中心，屏幕范围以垂足为基点，左右扩展18.5-19.5毫米。

8.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述光波传输介质包括至少一层光波导以及贴附于至少一层所述光波导表面的体全息光栅。

9.根据权利要求8所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述体全息光栅包括多区域光栅结构，所述多区域光栅结构包括若干组体全息光栅，若干组所述体全息光栅分别用于一一对应的将若干不同视角的输入图像进行耦合后输出。

10.根据权利要求1所述的混合现实穿戴设备，其特征在于，所述信息化组件还包括双目相机，所述双目相机用于实现真实环境的视频采集；所述双目相机的标定方法包括：

以棋盘格作为标定板采用所述双目相机的左右两个摄像机分别从不同角度采集一系列静态标定图片；

通过一系列所述静态标定图片分别对左右两个所述摄像机进行单目标定；

基于所述单目标定的标定结果对所述双目相机进行双目标定；

根据所述双目标定得出的所述双目相机的内外参数据结果对所述双目相机进行校正，使画面视场与目视光学***的显示视场一致且双目图像的高度一致。

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