CN107765435A - 头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种头戴显示装置。该头戴显示装置包括图像显示器、光学组合器和红外收发模组。光学组合器包括能将平面波转换为球面波的转换件。红外收发模组包括红外接收单元和红外发射单元。转换件的光轴和红外接收单元的光轴实质上平行或共轴。由图像显示器输出的图像光线，经光学组合器放大并反射至人眼形成虚拟图像。红外发射单元发射的红外光覆盖人眼范围，人眼经光学组合器投影后的人眼虚像被红外接收单元获取。该头戴显示装置实现了红外接收单元不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。

Description

头戴显示装置

技术领域

本发明涉及头戴显示技术领域，具体而言，涉及一种头戴显示装置。

背景技术

头戴显示器(HMD，Head mounted display)是一种至少包含一个微型显示器件(图像源模组)、显示光学系统以及支撑结构的近眼显示装置。随着新兴技术的发展和广泛应用，使用的个人隐私的保护及支付使用等安全性问题也将凸显；通过密码锁，指纹是常见的身份验证方式，而虹膜识别身份认证被认为是仅次于DNA识别的生物技术，将虹膜识别技术应用于头戴显示装置解决了用户在使用显示设备的使用权限、交易支付等身份验证问题，是技术发展趋势。

虹膜识别模块要求拍摄人眼图像的摄像头正对于人眼，以获得最有效、最可靠的人眼图像。并且，要求人眼距拍摄人眼图像的摄像头的物理距离大于摄像头的最近工作距离，该最近工作距离通常在300mm～3m之间。而现有技术中，佩戴具有正对于人眼拍摄人眼图像的摄像头的头戴显示装置后，人眼距摄像头的物理距离一般小于100mm。因此，现有的头戴显示装置拍摄的人眼图像不清晰，继而导致虹膜识别出错。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够满足虹膜识别要求的头戴显示装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明较佳实施例提供一种头戴显示装置，包括图像显示器、光学组合器和红外收发模组，所述光学组合器包括能将平面波转换为球面波的转换件，所述红外收发模组包括红外接收单元和红外发射单元；

所述转换件的光轴和所述红外接收单元的光轴实质上平行或共轴；

由所述图像显示器输出的图像光线，经所述光学组合器放大并反射至人眼形成虚拟图像；所述红外发射单元发射的红外光覆盖人眼范围，人眼经所述光学组合器投影后的人眼虚像被所述红外接收单元获取。

可选地，所述转换件为衍射平面或连续的凸曲面。

可选地，所述转换件包括平面和成像透镜组件。

可选地，所述成像透镜组件为定焦成像透镜组件或变焦成像透镜组件。

可选地，所述成像透镜组件为液晶透镜、液体透镜和机械变焦透镜组中的至少一个。

可选地，所述图像显示器为自发光型显示器。

可选地，所述图像显示器包括图像显示单元、偏振分光组件和照明光源，所述图像显示单元为反射式的；

照明单元输出的光束透射至所述偏振分光组件，S偏振光束被偏振分光组件反射至所述图像显示单元，所述图像显示单元根据此时待显示图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经所述图像显示单元调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过所述偏振分光组件后进入所述光学组合器中。

可选地，所述红外发射单元与所述图像显示器集成于一体。

可选地，所述图像显示器包括图像显示单元和照明单元，所述图像显示单元为透射式的；

照明单元输出的照明光束入射至图像显示单元，图像显示单元根据此时待显示图像的灰度对照明光束进行光能量调制，调制后的光束直接进入光学组合器中。

可选地，所述图像显示器包括图像显示单元和照明单元,所述图像显示单元为反射式的，所述光学组合器内设置有偏振分光膜；

所述照明单元输出的光束透射至所述偏振分光膜，照明光束中的S偏振光束透射到图像显示单元，所述图像显示单元根据此时待显示图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经所述图像显示单元调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次被所述偏振分光膜反射。

本发明提供的头戴显示装置通过设置转换件及使所述转换件的光轴和所述红外接收单元的接收光轴实质上平行或共轴，以形成人眼虚像，并使该人眼虚像距红外接收单元的距离大于红外接收单元的最近工作距离，以被红外接收单元获取。从而实现了红外接收单元不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。其中，正眼图像是指等效于以正对人眼的拍摄角度拍摄的人眼图像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的一种头戴显示装置的方框示意图。

图2为一实施方式中头戴显示装置的结构图。

图3为图2中头戴显示装置的虚拟图像显示的光路示意图。

图4为图2中头戴显示装置进行人眼虚像成像的光路示意图。

图5为另一实施方式中头戴显示装置的结构图。

图6为另一实施方式中头戴显示装置的结构图。

图7为另一实施方式中头戴显示装置的结构图。

图8为另一实施方式中头戴显示装置的结构图。

图9为另一实施方式中头戴显示装置的结构图。

图标：100-头戴显示装置；1-图像显示器；2-红外收发模组；3-光学组合器；30-转换件；21-红外发射单元；22-红外接收单元；31-第一实体；32-第二实体；33-第三实体；34-第四实体；35-第五实体；S355-端面；S312-第一相邻面；S324-第二相邻面；S334-第三相邻面；S313-第四相邻面；S345-第五相邻面；S311-凹面；11-照明单元；12-偏振分光组件；13-图像显示单元；111-LED灯；112-复眼透镜；113-扩束镜组；211-红外光源；212-分光镜；213-红外全反射镜；114-反射镜；301-成像透镜组件。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明较佳实施例提供一种头戴显示装置100，包括图像显示器1、红外收发模组2和光学组合器3。

所述光学组合器3包括能将平面波转换为球面波的转换件30。所述红外收发模组2包括红外发射单元21和红外接收单元22。所述转换件30的光轴和所述红外接收单元22的接收光轴实质上平行或共轴。其中，实质上平行或共轴是指接近平行或共轴。对于所述转换件30的光轴和所述红外接收单元22的接收光轴在可接受范围内有小角度的偏差，也是实质上平行或共轴。

由所述图像显示器1输出的图像光线，经光学组合器3放大并反射至人眼形成虚拟图像。所述红外发射单元21发射的红外光覆盖人眼范围，人眼经所述光学组合器3投影后的人眼虚像被所述红外接收单元22获取。

本发明较佳实施例提供的头戴显示装置100通过设置转换件30及使所述转换件30的光轴和所述红外接收单元22的接收光轴实质上平行或共轴，以形成人眼虚像，并使该人眼虚像距红外接收单元22的距离大于红外接收单元22的最近工作距离，以被红外接收单元22获取。从而实现了红外接收单元22不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。其中，正眼图像是指等效于以正对人眼的拍摄角度拍摄的人眼图像。

由于图像显示器1、光学组合器3和红外收发模组2的结构和设置方式可以有很多种。因此，基于上述发明构思，头戴显示装置100的具体结构可以是，但不限于如图2、图5、图6、图7、图8和图9所示。应理解，为了便于描述，图2、图5、图6、图7、图8和图9所示的头戴显示装置100均以单目的形式呈现。本领域技术人员可以根据如图2、图5、图6、图7、图8和图9所示的结构推出头戴显示装置100为双目时的结构。

如图2所示，图2为一实施方式中头戴显示装置100的结构图。图像显示器1为自发光R、G、B三色图像显示器1件OLED。光学组合器3包括第一实体31、第二实体32、第三实体33、第四实体34和第五实体35。第一实体31、第二实体32、第三实体33、第四实体34和第五实体35可以通过光学胶胶合在一起。转换件30为第五实体35的端面S355，所述端面S355为连续的凸曲面。

所述红外接收单元22靠近所述转换件30，且所述转换件30的光轴和所述红外接收单元22的光轴OG实质上平行或共轴。图像显示器1设置于所述第四实体34和第五实体35的上方。红外发射单元21可以是红外LED光源，可放置于头戴显示装置100的任何一处，能覆盖人眼范围且不会对投影成像的视野及预设的外界环境观察视野造成遮挡即可。可选的，本实施例中，将红外发射单元21设置于靠近转换件30的一侧。红外接收单元22可以是红外相机。

将第一实体31与第二实体32相邻的面和/或第二实体32与第一实体31相邻的面记为第一相邻面S312。则第一相邻面S312可以是第一实体31的与第二实体32相邻的面，也可以是第二实体32的与第一实体31相邻的面，还可以包括第一实体31的与第二实体32相邻的面和第二实体32的与第一实体31相邻的面。同理，将第二实体32与第四实体34相邻的面和/或第四实体34与第二实体32相邻的面记为第二相邻面S324。将第三实体33与第四实体34相邻的面和/或第四实体34与第三实体33相邻的面记为第三相邻面S334。将第一实体31与第三实体33相邻的面和/或第三实体33与第一实体31相邻的面记为第四相邻面S313。将第四实体34与第五实体35相邻的面和/或第五实体35与第四实体34相邻的面记为第五相邻面S345。其中第一相邻面S312和第三相邻面S334共面，第二相邻面S324和第四相邻面S313共面。第五相邻面S345与第二相邻面S324和第四相邻面S313的倾斜方向相同。

所述第一相邻面S312镀有可见光波段的可透可反膜。所述第二相邻面S324和第四相邻面S313镀有红外光波段全反膜。所述第三相邻面S334镀有可见光波段的可透可反膜和红外光波段的增透膜。所述第五相邻面S345镀有可见光波段的全反膜和红外光波段的增透膜。所述第一实体31包括凹面S311，所述凹面S311镀有可见光波段的全反膜。

通过上述设置，该头戴显示装置100的虚拟图像显示的光路示意图如图3所示。图像显示器1发出的承载了待显示图像信息的光束经第五相邻面S345全反射后，透过第一相邻面S312、第二相邻面S324、第三相邻面S334和第四相邻面S313后，被凹面S311放大反射后被第一相邻面S312和第三相邻面S334反射进入人眼。

如图4所示，该头戴显示装置100进行人眼虚像成像时，红外发射单元21发射的红外光覆盖人眼范围，人眼反射或散射的红外光线经第二相邻面S324和第三相邻面S334反射后，透过第五相邻面S345。由于所述红外接收单元22靠近所述转换件30，且所述转换件30的光轴和所述红外接收单元22的光轴实质上平行或共轴，因此经第二相邻面S324和第三相邻面S334反射，红外接收单元22能够对人眼正眼成像。人眼到红外接收单元22的物理距离L1+L2很短，通常小于100mm。而红外接收单元22的最近工作距离一般远大于此值，通常在300mm～3m之间。因此，若红外接收单元22直接对第二相邻面S324和第三相邻面S334反射的光线进行成像，则不能获得清晰的人眼像。为解决上述问题，本发明实施例提供的头戴显示装置100包括能将平面波转换为球面波转换件30。转换件30、第五实体35、第四实体34和第三实体33共同组成了具有正焦距的正焦透镜。通过设置转换件30的曲率可以使得正焦透镜的焦平面在人眼所在位置附近。转换件30可以在距离红外接收单元22L处形成人眼虚像，红外接收单元22对人眼虚像成像在红外接收单元22的接收面。其中，L可以大于500mm，甚至达到5m，则L落在红外接收单元22的工作距离范围内，满足红外接收单元22清晰成像的距离要求。显然，由于转换件30的成像作用间接地增大了人眼到红外接收单元22的等效物理距离，使得红外接收单元22能够获取人眼的正眼清晰图像。通常情况下，为提高人眼反射的红外光的透过率还可以对转换件30镀红外增透膜。

应理解，光学组合器3的结构不限于上述的结构，当图像显示器1和红外接收模组的设置方式发生变化时，光学组合器3的结构可以作出相应的变化。

如图5所示，图5为另一实施方式中头戴显示装置100的结构图。与图2类似，不同的是：图像显示器1包括照明单元11、偏振分光组件12和图像显示单元13。

照明单元11用于为图像显示单元13提供照明光束。照明单元11可以包括LED灯111、复眼透镜112和扩束镜组113。照明单元11提供单色光。图像显示单元13可以为反射式的，例如反射式LCOS显示器件。偏振分光组件12是能够将入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射的一种光学元件。本实施例中，偏振分光组件12可以是PBS棱镜(polarization beam splitter，偏振分光棱镜)。

具体实施时，LED灯111输出的光束经过复眼透镜112和扩束镜组113匀束和扩束后，进入偏振分光组件12，S偏振光束被偏振分光组件12反射至图像显示单元13，图像显示单元13根据此时待显示图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经图像显示单元13调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过偏振分光组件12后进入光学组合器3中。

如图6所示，图6为另一实施方式中头戴显示装置100的结构图。与图5类似，不同的是：红外发射单元21与图像显示器1集成在一起。红外发射单元21包括红外光源211和分光镜212。

红外光源211可以是是红外LED光源或红外LD光源。分光镜212镀有红外光波段的全反膜和可见光波段的透射膜。分光镜212可以倾斜设置于LED灯111和复眼透镜112之间，红外光源211发射的红外线被分光镜212反射后，经过复眼透镜112和扩束镜组113匀束和扩束后，进入偏振分光组件12，S偏振光束被偏振分光组件12反射至图像显示单元13，图像显示单元13对S偏振光束进行光能量调制，经图像显示单元13调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过偏振分光组件12后进入光学组合器3中。本实施例中，由于红外光源211的光束传输过程与图像显示器1中的图像显示的光束传输过程是一致的，故红外发射单元21发射的红外光是正对人眼照射且能量集中，能量利用率高，红外照射均匀。

为了增强照射到人眼的红外能量，可选地，红外发射单元21还包括红外全反射镜213。所述红外全反射镜213能够将透过偏振分光组件12红外的P偏振光束转换为S偏振光束，转换后S偏振光束经偏振分光组件12反射后进入光学组合器3中。进一步地，红外发射单元21还可以包括四分之一玻片(为了节约篇幅，图中未示出)。所述四分之一玻片设置于所述红外全反射镜213和偏振分光组件12之间。同样的，所述四分之一玻片用于将红外的P偏振光束转换为S偏振光束。

如图7所示，图7为另一实施方式中头戴显示装置100的结构图。与图5类似，不同的是：图像显示器1不包括偏振分光组件12。照明单元11还包括反射镜114。图像显示单元13位于所述光学组合器3和照明单元11之间。所述图像显示单元13为透射式显示器。

照明单元11输出的照明光束入射至图像显示单元13，图像显示单元13根据此时待显示图像的灰度对照明光束进行光能量调制，调制后的光束直接进入光学组合器3中。

与图5所示的头戴显示装置100相比，由于图像显示器1不包括偏振分光组件12，使得头戴显示装置100结构更紧凑，重量更轻。

如图8所示，图8为另一实施方式中头戴显示装置100的结构图。与图7类似，不同的是：图像显示单元13位于所述光学组合器3的下方。第五相邻面S345镀有偏振分光膜，而不镀可见光波段的全反膜。第四实体34和第五实体35组成偏振分光器。该偏振分光膜使得第五相邻面S345对S偏振光透过，对P偏振光反射。第五相邻面S345与第一相邻面S312和第三相邻面S334的倾斜方向相同。

具体实施时，照明单元11输出的光束透射至第五相邻面S345时，照明光束中的S偏振光束透射到图像显示单元13，图像显示单元13根据此时待显示图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经图像显示单元13调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次被第五相邻面S345反射。

与图5所示的头戴显示装置100相比，由于图像显示器1共用光学组合器3的部分构件，使得头戴显示装置100结构更紧凑，重量更轻。

对于图2、图5、图6、图7和图8所示的结构，转换件30为第五实体35的端面S355，所述端面S355为连续的凸曲面。在其它实施方式中，当转换件30为第五实体35的端面S355时，所述端面S355还可以用具有同样光会聚功能的衍射结构来替代。如可以选用公知技术中的全息衍射或二元衍射结构。可选地，所述端面S355为衍射平面。所述衍射平面是在平面上蚀刻有对红外光具有衍射功能的二元衍射结构或在透明基底上以光学胶合方式胶合有衍射功能膜的全息衍射平板元件。

此外，所述转换件30还可以包括平面和成像透镜组件301，如图9所示。所述平面为第五实体35的端面S355。所述成像透镜组件301设置于光学组合器3和红外接收单元22之间。成像透镜组件301与光学组合器3中的第五实体35、第四实体34和第三实体33构成的组合透镜组具有上述各实施方式中所述的正焦透镜等效的光学成像效果。所述成像透镜组件301可以为定焦成像透镜组件301或变焦成像透镜组件301。

例如，此成像透镜组件301是自动变焦透镜组。由于每一个使用者与头戴显示装置100的距离是因人而异的，自动变焦透镜组可以根据不同使用者设置不同的透镜焦距，以获得最好的光学成像效果。自动变焦透镜组可以使用公知技术中的液体透镜、液晶透镜、机械变焦透镜组等具有变焦功能的透镜模组。可选的，本实施例中的成像透镜组件301为液晶透镜。具体实施过程中，液晶透镜先归置为无焦状态，红外接收单元22接收人眼的红外像，当红外接收单元22检测到成像不清晰后，液晶透镜被连续调制到具有不同的焦距，每次液晶透镜被调制到某一确定的焦距时，红外接收单元22接收一次人眼的红外像进行检测判断人眼的红外成像是否清晰，当检测到人眼红外成像清晰后，液晶透镜保持此时的焦距不变。使用者每一次使用上述头戴显示装置100时，自动变焦透镜组都进行上述过程，以确保红外接收单元22获得人眼的清晰正眼成像图片。

显而易见，当该头戴显示装置100为虚拟现实显示设备时，该头戴显示装置100还包括头戴、眼罩、遮光件及将上述的图像显示器1、红外收发模组2和光学组合器3连接起来的结构件。所述遮光件用于防止环境光线经过所述光学组合器3透射入人眼。所述眼罩用于罩设于人眼，防止环境光线直接入眼。

当该头戴显示装置100为增强现实眼镜时，该头戴显示装置100还包括佩戴的部件(如镜腿)及将上述的图像显示器1、红外收发模组2和光学组合器3连接起来的结构件。图像显示器1用于对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示。真实世界环境光线经过所述光学组合器3直接透射进入人眼。由于该红外接收单元22没有正对人眼，不会干扰用户对真实世界环境光线的接收。

本发明实施例提供的头戴显示装置100，实现了红外接收单元22不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。

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。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴显示装置，其特征在于，包括图像显示器、光学组合器和红外收发模组，所述光学组合器包括能将平面波转换为球面波的转换件，所述红外收发模组包括红外接收单元和红外发射单元；

所述转换件的光轴和所述红外接收单元的光轴实质上平行或共轴；

由所述图像显示器输出的图像光线，经所述光学组合器放大并反射至人眼形成虚拟图像；所述红外发射单元发射的红外光覆盖人眼范围，人眼经所述光学组合器投影后的人眼虚像被所述红外接收单元获取。

2.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述转换件为衍射平面或连续的凸曲面。

3.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述转换件包括平面和成像透镜组件。

4.根据权利要求3所述的头戴显示装置，其特征在于，所述成像透镜组件为定焦成像透镜组件或变焦成像透镜组件。

5.根据权利要求3所述的头戴显示装置，其特征在于，所述成像透镜组件为液晶透镜、液体透镜和机械变焦透镜组中的至少一个。

6.根据权利要求1-5任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述图像显示器为自发光型显示器。

7.根据权利要求1-5任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述图像显示器包括图像显示单元、偏振分光组件和照明光源，所述图像显示单元为反射式的；

照明单元输出的光束透射至所述偏振分光组件，S偏振光束被偏振分光组件反射至所述图像显示单元，所述图像显示单元根据此时待显示图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经所述图像显示单元调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过所述偏振分光组件后进入所述光学组合器中。

8.根据权利要求1-5任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述红外发射单元与所述图像显示器集成于一体。

9.根据权利要求1-5任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述图像显示器包括图像显示单元和照明单元，所述图像显示单元为透射式的；

照明单元输出的照明光束入射至图像显示单元，图像显示单元根据此时待显示图像的灰度对照明光束进行光能量调制，调制后的光束直接进入光学组合器中。

10.根据权利要求1-5任一项所述的头戴显示装置，其特征在于，所述图像显示器包括图像显示单元和照明单元,所述图像显示单元为反射式的，所述光学组合器内设置有偏振分光膜；

所述照明单元输出的光束透射至所述偏振分光膜，照明光束中的S偏振光束透射到图像显示单元，所述图像显示单元根据此时待显示图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经所述图像显示单元调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次被所述偏振分光膜反射。