CN101561347B - 视频眼镜双目视轴偏差检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种视频眼镜双目视轴偏差的检测装置和方法，主要是利用摄像装置对视频眼镜产生的识别图案进行成像，通过检测识别图案的位置计算得到视频眼镜双目视轴的夹角，其特征在于：将一个发光十字放在离摄像装置一定距离处，且发光十字中心位于摄像装置两个物镜光轴的中间，通过校正程序标定出摄像装置两个图像传感器的基准点，然后利用摄像装置获得视频眼镜产生的识别图案在图像传感器上的位置，根据其相对于基准点的偏差计算出视频眼镜双目视轴的偏差。本发明具有检测速度快、精度高、可以动态显示等优点，为视频眼镜的装校和检验提供极大的便利。

Description

视频眼镜双目视轴偏差检测装置和方法

技术领域

本发明涉及显示器，特别是一种视频眼镜双目视轴偏差的检测装置和方法。

背景技术

视频眼镜是头戴虚拟显示器的一种，又称眼镜式显示器、随身影院等，因为眼镜式显示器外形象眼镜，同时专为大屏幕显示音视频播放器的视频图像的，所以形象的称为视频眼镜(video glasses)。视频眼镜显示原理：通过光学系统(主要是精密光学透镜)放大超微显示屏上的图像，进而呈现于观看者眼前大屏幕图像。

视频眼镜最初是军事上的需求和应用于军事的。最初为了显示器的方便携带和观看，就把显示器做成头盔形状。后来随着发展加入了透镜以显示虚拟大图像并向轻便型头戴式发展。随着视频眼镜的分化和专业化，面向军事的向高清晰显示和一体化发展，面向民品的向轻便化和专对不同行业需求发展。

视频眼镜双目视轴偏差是影响佩戴人员眼睛舒适度的重要光学参数，不合适的双目视轴偏差会造成眼睛的疲劳和损伤，因此对此光学参数的检测就成为非常重要的工作。

目前还没有专用于视频眼镜双目视轴偏差的检测系统，影像了视频眼镜的校准和检验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种视频眼镜双目视轴偏差的检测装置和方法，该装置具有检测速度快、精度高、可以动态显示等优点，为视频眼镜的装校和检验提供极大的便利。

本发明的技术解决方案如下：

一种视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于该装置有主机、校准系统、控制系统组成：

所述的主机由结构相同的第一物镜和第二物镜，结构相同的第一图像传感器和第二图像传感器，结构相同的第一传感器支架和第二传感器支架，和底座组成，其位置关系是：所述的第一物镜和和第二物镜固定在所述的底座上，第一图像传感器安装在所述的第一传感器支架上，第二图像传感器安装在所述的第二传感器支架上，再将所述的第一传感器支架和第二传感器支架固定在所述的底座上，而且所述的第一物镜、第二物镜的光轴相互平行，所述的第一图像传感器和第二图像传感器的感光面分别与所述的第一物镜和第二物镜的像平面重合；

所述的校准系统由发光十字、调整架、反光十字组成：

所述的发光十字由第一十字板、毛玻璃、光源、激光器、外壳和电源组成，所述的第一十字板、毛玻璃、光源和激光器安装在所述的外壳里，并整体安装在调整架上，所述的电源对所述的光源和激光器供电，所述的第一十字板上有一个十字叉且该十字叉有一个中心孔，所述的毛玻璃和光源的中心也都有一个中心孔，所述的第一十字板的中心孔、毛玻璃的中心孔和光源的中心孔共轴，所述的光源发出的光经毛玻璃发散之后对第一十字板均匀照明，所述的激光器发出的激光束经过所述的光源、毛玻璃和第一十字板的中心孔之后出射；

所述的调整架中，一个x向平移台和一个y向平移台和二维角度调整架安装在底座上，所述的发光十字安装在所述的x向平移台和y向平移台和二维角度调整架上，所述的x向平移台和y向平移台用于调整所述的发光十字的x、y两个方向上的位置，所述的二维角度调整架调节所述的发光十字的俯仰角度，使所述的第一十字板位于所述的第一物镜和第二物镜公共的物平面，所述的第一十字板的中心孔与所述的第一物镜和第二物镜的光轴与物平面的交点之间的连线的中点重合；

所述的反光十字由第二十字板和平面反射镜相互粘贴在一起构成，所述的第二十字板上有一个透光的十字叉，所述的平面反射镜的反射面与所述的第二十字板相靠，所述的反光十字安装在所述的主机上，所述的平面反射镜的反射面与所述的第一物镜和第二物镜的光轴垂直，所述的第二十字板上的十字叉的中心点位于所述的平面反射镜反射面所在平面与所述的第一物镜和第二物镜的光轴的交点的连线的中点上；

所述的控制系统与所述的第一图像传感器和第二图像传感器相连，控制并采集图像，对图像数据进行处理和显示。

所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置，还有一导轨，所述的主机和校准系统均安装在该导轨上。

所述的第一物镜和第二物镜是一块透镜，或由多块透镜组成的透镜组构成的。

所述的第一物镜、第二物镜、第一传感器支架和第二传感器支架是通过一个物镜调整架安装在所述的底座上的。

所述的第一图像传感器和第二图像传感器是电荷耦合器件，或互补式金属氧化物半导体器件。

所述的控制系统是个人计算机、工控机、或其他芯片和电路板组成的控制器。

利用上述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置检测视频眼镜双目视轴偏差的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)、将主机和校准系统放在导轨上；

2)、打开激光器，调节所述的二维角度调整架，使激光器发出的激光照射在所述的反光十字的第二十字板的中心，观察由所述的反光十字反射回来的十字叉落在所述的第一十字板上的位置，通过调节x平移台和y平移台，使发光十字的中心与所述的反光十字反射回来的十字叉的中心重合，关闭激光器；

3)、打开光源照亮第一十字板；

4)、调节第一传感器支架和第二传感器支架，使第一图像传感器和第二图像传感器上的十字叉像清晰；

5)、由控制系统得到第一图像传感器和第二图像传感器上的十字叉像的中心点位置，分别作为第一图像传感器和第二图像传感器的基准点O₁和基准点O₂；

6)、将待测视频眼镜安装在主机的底座上，使视频眼镜的双目出瞳中心连线与所述的第一物镜和第二物镜入瞳中心连线共线且中点重合，且视频眼镜的双目出瞳面与第一物镜和第二物镜的光轴垂直；

7)、通过待测视频眼镜本身的控制装置在待测视频眼镜的左右眼镜显示屏的中心各产生一个十字叉，通过待测视频眼镜的光学系统后则会在物面产生十字虚像P₁和P₂，经过第一物镜和第二物镜后，在第一图像传感器和第二图像传感器分别产生十字像P₁′和十字像P₂′，从而得到十字像P₁′和十字像P₂′中心点与基准点O₁和基准点O₂之间的距离d₁、d₂；

8)由控制系统将d₁、d₂代入下列公式计算：

视频眼镜的双目视轴在物面上的距离偏差D₁和D₂：

$D=d\×\frac{L}{L^{\′}}=d\×L\×(\frac{1}{f^{\′}}-\frac{1}{L})$

由于视频眼镜出瞳距和D相对于l来说均为小量，因此视频眼镜的双目视轴角度偏差θ₁和θ₂为：

$\mathrm{\θ}=\frac{D}{l}$

式中：L为第一物镜和第二物镜的物距，L′为第一物镜和第二物镜像距，f′为第一物镜和第二物镜的焦距，l为物面到第一物镜和第二物镜入瞳的距离，其中L′、f′、l均为已知参数，且视频眼镜出瞳距和D相对于l来说均为小量；

9)、D₁、D₂、θ₁、θ₂的计算结果显示在显示屏上，完成检测。

本发明视频眼镜双目视轴偏差检测装置且具有可检测视频眼镜范围广、检测速度快、精度高、可以动态显示等优点，为视频眼镜的装校和检验提供极大的便利。

校准原理：

参照图1所示，图1是本发明的视频眼镜双目视轴偏差校准方法原理图，本发明视频眼镜双目视轴偏差检测方法的主要光学部件为两个第一物镜101A和第二物镜101B，两个图像传感器102A、102B，以及校准过程中用到的发光十字2。

所述的第一物镜101A和第二物镜101B的光轴相互平行，第一图像传感器102A和第二图像传感器102B分别位于所述的第一物镜101A和第二物镜101B的像面上。第一物镜101A和第二物镜101B的光轴与物面的交点之间的连线的中点设为点O，将发光十字2所在平面与第一物镜101A和第二物镜101B的物面重合，且发光十字2的中心点与点O重合，发光十字2在第一图像传感器102A和第二图像传感器102B的像的中心点分别作为基准点O₁和基准点O₂。

测量原理：

参照图2所示，图2是本发明的视频眼镜双目视轴偏差检测方法原理图。

将视频眼镜8放在第一物镜101A和第二物镜101B之前，视频眼镜8的双目出瞳801A、801B中心连线与第一物镜101A、第二物镜101B的入瞳106A、106B中心连线共线且中点重合，且视频眼镜8的双目出瞳面与第一物镜101A和第二物镜101B的光轴垂直，则视频眼镜的虚拟屏所在平面与第一物镜101A和第二物镜101B的物面重合。视频眼镜8的左右眼显示屏的中心位置各产生一个十字，通过视频眼镜的光学系统后则会在物面产生十字虚像P₁和P₂，经过第一物镜101A和第二物镜101B后，在第一图像传感器102A和第二图像传感器102B分别产生十字像P₁′和十字像P₂′，从而得到十字像P₁′和十字像P₂′中心点与基准点O₁和基准点O₂之间的距离d₁、d₂，从而计算出视频眼镜的双目视轴偏差。计算公式如下：

视频眼镜双目视轴在物面上的距离偏差公式为：

$D=d\×\frac{L}{L^{\′}}=d\×L\×(\frac{1}{f^{\′}}-\frac{1}{L})---\left(1\right)$

由于视频眼镜出瞳距和D相对于l来说均为小量，因此视频眼镜双目视轴的角度偏差公式为：

$\mathrm{\θ}=\frac{D}{l}---\left(2\right)$

式中：D为视频眼镜视轴的在物面上的距离偏差，d为图像传感器上十字像中心点与基准点之间的距离，L为物镜的物距，L′为像距，f′为物镜的焦距，l为物面到物镜入瞳的距离，θ为视频眼镜视轴角度偏差，其中L′f′、l为已知参数，d为待检测到的参数，且视频眼镜出瞳距和D相对于l来说均为小量。

检测出第一图像传感器102A和第二图像传感器102B的十字像中心点与基准点之间的距离d₁和d₂后，通过公式(1)和公式(2)分别计算出视频眼镜左右眼视轴的距离偏差和角度偏差。

对于固定的第一物镜101A和第二物镜101B的光轴之间的距离E，所能检测的视频眼镜出瞳距e的范围为：

E-(a-p)≤e≤E+(a-p)            (3)

式中：E为第一物镜101A和第二物镜101B光轴之间的距离，e为视频眼镜双目出瞳距，a为第一物镜101A和第二物镜101B的入瞳直径，p为视频眼镜双目出瞳直径。

附图说明

图1是本发明视频眼镜双目视轴偏差校准方法原理图；

图2是本发明视频眼镜双目视轴偏差检测方法原理图；

图3是本发明第一个较佳实施例的校准结构示意图；

图4是发光十字正视图；

图5是发光十字右视图；

图6是反光十字的正视图；

图7是反光十字的左视图；

图8是本发明第一个较佳实施例的检测结构示意图；

图9是本发明第二个较佳实施例的检测结构示意图；

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明的具体细节和操作方法进行详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图3，图3是本发明第一个较佳实施例的校准结构示意图，由图3可见：本发明第一个较佳实施例的校准过程的装置包括主机1、校准系统、控制系统5和导轨6组成：

①所述的主机为检测视频眼镜光学参数的主要部分，由第一物镜101A和第二物镜101B、第一图像传感器102A和第二图像传感器102B、第一传感器支架103A和第二传感器支架103B、底座104组成，其位置关系是：所述的第一物镜101A和第二物镜101B、第一传感器支架103A和第二传感器支架103B都位于底座104上。第一物镜101A和第二物镜101B的光轴互相平行，第一图像传感器102A和第二图像传感器102B分别位于第一传感器支架103A和第二传感器支架103B上，通过第一传感器支架103A和第二传感器支架103B的调整将第一图像传感器102A和第二图像传感器102B的感光面调整到与第一物镜101A和第二物镜101B的像面重合。

②所述的校准系统由发光十字2、调整架3、反光十字4组成。

请参阅图4和图5，所述的发光十字2包括第一十字板201、毛玻璃202、光源203、激光器204、外壳205和电源206组成。第一十字板201、毛玻璃202、光源203和激光器204安装在外壳205里，并整体安装在调整架3上。电源206对光源203和激光器204供电。第一十字板201上有一个十字且中心有一个圆孔，如图5所示。光源203发出的光经毛玻璃202发散之后对第一十字板201均匀照明。毛玻璃202和光源203的中心也有一个小孔，激光器204发出的激光束经过光源203、毛玻璃202和第一十字板201的小孔之后出射。

所述的调整架3可以使发光十字2做四维调节，包括一维x平移台301和一维y平移台302、二维角度调整架303和底座304，通过底座304将调整架3安装在导轨6上。一维x平移台301和一维y平移台302可以使发光十字2在垂直于导轨的xY两个方向上平移，二维角度调整架303可以使发光十字2做水平和俯仰角度调节。

请参阅图6和图7，所述的反光十字4安装在主机上，用于反射发光十字2发射的激光，反光十字4包括第二十字板401和平面反射镜402，第二十字板401上加工出一个可以透光的十字，平面反射镜402的反射面靠在第二十字板401的一个面上，且平面反射镜402的反射面与两个物镜的光轴垂直，第二十字板401上的十字中心点位于平面反射镜402反射面所在平面与物镜101A和物镜101B的光轴的交点连线的中点上。

③控制系统5用于控制第一图像传感器102A和第二图像传感器102B采集图像，并对图像进行处理和图像、数据的显示。

④导轨6其导向和定位的作用，校准主机过程中将主机和校准系统均放在导轨上，以利于导向、定位和测量。

所述的第一物镜101A和第二物镜101B是一块透镜或由多块透镜组成的透镜组构成的。

所述的第一图像传感器102A和第二图像传感器102B可以是电荷耦合器件，也可以是互补式金属氧化物半导体器件。

所述的第一十字板201的十字可以是通过机械加工而成，也可以是经过光刻而成。

所述的控制系统5是个人计算机、工控机，也可以是其他芯片和电路板组成的控制器。

所述的导轨6不是必需的部分，导轨仅起到加快调整速度的作用，校正过程可以在地面或其他物体表面完成。

对本发明第一较佳实施例进行校正的步骤如下：

1)将主机1和校准系统5放在导轨6上，调整好发光十字2和反光十字4之间的距离；

2)打开激光器204；

3)调节二维角度调整架303，使激光器204发出的激光照在反光十字4的第二十字板401的中心；

4)观察由反光十字4反射回来的十字落在第一十字板201上的位置，通过调节x平移台301和y平移台302，使发光十字2的中心移动到与反光十字4反射回来的十字中心连线的中点位置；

5)重复步骤3)和步骤4)，直到反光十字4反射回的十字的中心与发光十字2的中心重合；

6)关闭激光器204，打开光源203照亮第一十字板201；

7)调节第一传感器支架103A和第二传感器支架103B，使第一图像传感器102A和第二图像传感器102B上的十字像清晰；

8)由控制系统5得到第一图像传感器102A和第二图像传感器102B上的十字像的中心点，并将其分别作为第一图像传感器102A和第二图像传感器102B的基准点，完成主机的校准。

请参阅图8，图8是本发明第一个较佳实施例的检测结构示意图。如图8所示：检测过程中，待测视频眼镜8安装在主机1上，且视频眼镜8的左右眼出瞳面与第一物镜101A和第二物镜101B的入瞳面106A、106B重合。

利用本发明第一较佳实施例进行检测的步骤如下：

1)将待测视频眼镜8安装在主机1上；

2)通过视频眼镜8本身的控制装置使视频眼镜8的左右眼显示屏中心各产生一个十字；

3)由控制系统5得到第一图像传感器102A和第二图像传感器102B上的十字像中心点，并根据校准过程中得到的基准点计算出视频眼镜8双目视轴的距离偏差和角度偏差；

4)由控制系统5输出结果并显示图像，完成检测。

请参阅图9，图9是本发明第二个较佳实施例的检测结构示意图。如图9所示，第二个较佳实施例与第一个较佳实施例相比：在主机1上增加了一个物镜调整架107，与主机1的其他部分位置关系是：所述的物镜调整架107安装在底座104上，第一物镜101A和第二物镜101B、第一传感器支架103A和第二传感器支架103B都位于底座物镜调整架107上，通过调节物镜调整架107可以改变第一物镜101A和第二物镜101B的光轴之间的距离。主机1的其他部分的相对位置与第一个较佳实施例相同。

与本发明第一个较佳实施例相比，本发明第二个较佳实施例可以改变第一物镜101A和第二物镜101B的光轴之间的距离，根据公式(3)，这增加了装置可检测的视频眼镜出瞳距范围。

Claims (7)

1.一种视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于该装置由主机(1)、校准系统、控制系统(5)组成：

所述的主机(1)由结构相同的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)，结构相同的第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)，结构相同的第一传感器支架(103A)和第二传感器支架(103B)，和第一底座(104)组成；其位置关系是：所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)固定在所述的第一底座(104)上，第一图像传感器(102A)安装在所述的第一传感器支架(103A)上，第二图像传感器(102B)安装在所述的第二传感器支架(103B)上，再将所述的第一传感器支架(103A)和第二传感器支架(103B)固定在所述的第一底座(104)上，而且所述的第一物镜(101A)、第二物镜(101B)的光轴相互平行，所述的第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)的感光面分别与所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的像平面重合；

所述的校准系统由发光十字(2)、调整架(3)、反光十字(4)组成：

所述的发光十字(2)由第一十字板(201)、毛玻璃(202)、光源(203)、激光器(204)、外壳(205)和电源(206)组成，所述的第一十字板(201)、毛玻璃(202)、光源(203)和激光器(204)安装在所述的外壳(205)里，并整体安装在调整架(3)上，所述的电源(206)对所述的光源(203)和激光器(204)供电，所述的第一十字板(201)上有一个十字叉且该十字叉有一个中心孔，所述的毛玻璃(202)和光源(203)的中心也都有一个中心孔，所述的第一十字板(201)的中心孔、毛玻璃(202)的中心孔和光源(203)的中心孔共轴，所述的光源(203)发出的光经毛玻璃(202)发散之后对第一十字板(201)均匀照明，所述的激光器(204)发出的激光束经过所述的光源(203)、毛玻璃(202)和第一十字板(201)的中心孔之后出射；

所述的调整架(3)中，一个x向平移台(301)和一个y向平移台(302)和二维角度调整架(303)安装在第二底座(304)上，所述的发光十字(2)安装在所述的x向平移台(301)和y向平移台(302)和二维角度调整架(303)上，所述的x向平移台(301)和y向平移台(302)用于调整所述的发光十字(2)的x、y两个方向上的位置，所述的二维角度调整架(303)调节所述的发光十字(2)的俯仰角度，使所述的第一十字板(201)位于所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)公共的物平面，所述的第一十字板(201)的中心孔与所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的光轴与物平面的交点之间的连线的中点重合；

所述的反光十字(4)由第二十字板(401)和平面反射镜(402)相互粘贴在一起构成，所述的第二十字板(401)上有一个透光的十字叉，所述的平面反射镜(402)的反射面与所述的第二十字板(401)相靠，所述的反光十字(4)安装在所述的主机(1)上，所述的平面反射镜(402)的反射面与所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的光轴垂直，所述的第二十字板(401)上的十字叉的中心点位于所述的平面反射镜(402)反射面所在平面与所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的光轴的交点的连线的中点上；

所述的控制系统(5)与所述的第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)相连，控制并采集图像，对图像数据进行处理和显示。

2.根据权利要求1所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于还有一导轨(6)，所述的主机(1)和校准系统均安装在该导轨(6)上。

3.根据权利要求1所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)是一块透镜，或由多块透镜组成的透镜组构成的。

4.根据权利要求1所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于所述的第一物镜(101A)、第二物镜(101B)、第一传感器支架(103A)和第二传感器支架(103B)是通过一个物镜调整架(107)安装在所述的第一底座(104)上的。

5.根据权利要求1所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于所述的第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)是电荷耦合器件，或互补式金属氧化物半导体器件。

6.根据权利要求1所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置，其特征在于所述的控制系统(5)是个人计算机、工控机、或其他芯片和电路板组成的控制器。

7.利用权利要求2所述的视频眼镜双目视轴偏差检测装置检测视频眼镜双目视轴偏差的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)、将主机(1)和校准系统(5)放在导轨(6)上；

2)、打开激光器(204)，调节所述的二维角度调整架(303)，使激光器(204)发出的激光照射在所述的反光十字(4)的第二十字板(401)的中心，观察由所述的反光十字(4)反射回来的十字叉落在所述的第一十字板(201)上的位置，通过调节x向平移台(301)和y向平移台(302)，使发光十字(2)的中心与所述的反光十字(4)反射回来的十字叉的中心重合，关闭激光器(204)；

3)、打开光源(203)照亮第一十字板(201)；

4)、调节第一传感器支架(103A)和第二传感器支架(103B)，使第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)上的十字叉像清晰；

5)、由控制系统(5)得到第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)上的十字叉像的中心点位置，分别作为第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)的基准点O₁和基准点O₂；

6)、将待测视频眼镜(8)安装在主机(1)的第一底座(104)上，使待测视频眼镜(8)的双目出瞳中心连线与所述的第一物镜(101A)和第二物镜(101B)入瞳中心连线共线且中点重合，且待测视频眼镜(8)的双目出瞳面与第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的光轴垂直；

7)、通过待测视频眼镜(8)本身的控制装置在待测视频眼镜(8)的左右眼镜显示屏的中心各产生一个十字叉，通过待测视频眼镜(8)的光学系统后则会在物面产生十字虚像P₁和P₂，经过第一物镜(101A)和第二物镜(101B)后，在第一图像传感器(102A)和第二图像传感器(102B)分别产生十字像P₁′和十字像P₂′，从而得到十字像P₁′和十字像P₂′中心点与基准点O₁和基准点O₂之间的距离d₁、d₂；

8)由控制系统(5)将d₁、d₂代入下列公式计算：

待测视频眼镜的双目视轴在物面上的距离偏差D₁和D₂：

待测视频眼镜的双目视轴角度偏差θ₁和θ₂为：

式中：L为第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的物距，L′为第一物镜(101A)和第二物镜(101B)像距，f′为第一物镜(101A)和第二物镜(101B)的焦距，l为物面到第一物镜(101A)和第二物镜(101B)入瞳的距离，其中L′、f′、l均为已知参数，且待测视频眼镜出瞳距和D相对于l来说均为小量；

9)、D₁、D₂、θ₁、θ₂的计算结果显示在显示屏上，完成检测。

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