一種可以自動測量瞳距的近眼顯示裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，所述近眼顯示裝置包括透鏡單元、攝像單元、處理單元和顯示單元，所述攝像單元可以將拍攝到的圖像信息傳輸至所述處理單元，所述處理單元根據(jù)接收到的信息判斷使用者瞳孔的橫坐標，并根據(jù)所述左攝像裝置和所述右攝像裝置拍攝圖像中瞳孔橫坐標的差值計算出使用者的瞳距。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用單獨測量單側(cè)瞳孔坐標位置的方法不僅可以測量使用者的瞳距，還可以測量使用者單側(cè)瞳孔偏離中心位置的位移，對于瞳孔不對稱的使用者來說可以更精確地測量其視力信息，并且為手動或自動調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)以適應瞳孔位置提供了依據(jù)。
【專利說明】
-種可從自動測量瞳距的近眼顯示裝置及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及近眼顯示裝置領域，更具體地說，設及一種可W自動測量瞳距的近眼 顯示裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 近眼顯示裝置包括可將圖像直接投射到觀察者眼中的頭戴顯示器化MD),運種近 眼顯示裝置是目前虛擬現(xiàn)實(VR)或增強現(xiàn)實(AR)領域常用的裝置。一般情況下，近眼顯示 裝置的顯示屏距離使用者的眼球不到十厘米，通過特殊的光學處理，近眼顯示裝置可W將 圖像清晰地投射在人的視網(wǎng)膜上，在用戶眼前呈現(xiàn)出虛擬大幅面圖像，由此用于虛擬現(xiàn)實 或增強現(xiàn)實。
[0003] 近眼顯示裝置在使用前必須經(jīng)過瞳距測量。當使用者的眼球位置或屈光系統(tǒng)與近 眼顯示裝置的光學系統(tǒng)不能很好配合時，需要調(diào)整近眼顯示裝置的光學系統(tǒng)，使用戶可W 在眼中看到清晰的圖像。而能否正確地測量使用者的瞳距則是調(diào)節(jié)的先決條件?，F(xiàn)有技術 的近眼顯示裝置多沒有瞳距檢測功能，如果使用者不清楚自己的瞳距，為了獲得更清晰的 顯示效果，就要在佩戴頭戴顯示器之前利用視力檢測裝置進行測量，使得使用過程很不方 便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決當前近眼顯示裝置沒有瞳距測量功能的缺陷，本發(fā)明提供一種可W自動 測量瞳距的近眼顯示裝置及方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種近眼顯示裝置，所述近眼 顯示裝置包括透鏡單元、攝像單元、處理單元和顯示單元，所述攝像單元包括攝像裝置，所 述攝像裝置包括左攝像裝置和右攝像裝置，所述左攝像裝置和所述右攝像裝置為固定焦距 和朝向的攝像裝置，所述左攝像裝置可W拍攝使用者左側(cè)眼球圖像，所述右攝像裝置可W 拍攝使用者右側(cè)眼球圖像，所述攝像單元可W將拍攝到的圖像信息傳輸至所述處理單元， 所述處理單元根據(jù)接收到的信息判斷使用者瞳孔的橫坐標，并根據(jù)所述左攝像裝置和所述 右攝像裝置拍攝圖像中瞳孔橫坐標的差值計算出使用者的瞳距。
[0006] 優(yōu)選地，所述攝像單元拍攝使用者眼球圖像前，所述顯示單元播放虛擬的遠景圖 像，調(diào)動使用者視線朝向正前方。
[0007] 優(yōu)選地，所述處理單元根據(jù)接收到的圖片信息分別標定使用者瞳孔左側(cè)橫坐標和 瞳孔右側(cè)橫坐標，并根據(jù)使用者瞳孔左側(cè)橫坐標和瞳孔右側(cè)橫坐標確定使用者瞳孔的橫坐 標。
[000引優(yōu)選地，所述處理單元定義一個坐標軸，W使用者右眼到左眼的方向為正方向，在 使用者兩眼之間定義一個虛擬的中屯、點作為原點，所述瞳孔上任一點的橫坐標為瞳孔上該 點到坐標軸的垂線所對應的橫坐標。
[0009]優(yōu)選地，所述處理單元分別記錄使用者左側(cè)瞳孔的橫坐標與使用者右側(cè)瞳孔的橫 坐標。
[0010] 優(yōu)選地，所述顯示單元調(diào)節(jié)發(fā)光強度，所述攝像單元分別拍攝不同光照強度下眼 部圖片信息并傳輸至所述處理單元，所述處理單元分別測定不同光照強度下瞳孔左側(cè)橫坐 標和瞳孔右側(cè)橫坐標，并根據(jù)瞳孔左側(cè)橫坐標和瞳孔右側(cè)橫坐標確定瞳孔的橫坐標的集 合，根據(jù)瞳孔橫坐標的集合計算瞳孔的位置信息和瞳距信息。
[0011] 提供一種自動測量瞳距的近眼顯示裝置，包括透鏡單元、攝像單元、處理單元和顯 示單元，所述攝像單元包括左攝像裝置和右攝像裝置，所述攝像單元與所述處理單元電性 連接并固定在所述近眼顯示裝置中，所述顯示單元包括顯示屏，所述攝像單元設置在所述 顯示屏的邊緣
[0012] 優(yōu)選地，所述攝像單元進一步包括紅外補光裝置，所述紅外補光裝置設置在所述 顯示屏的邊緣，所述紅外補光裝置在所述攝像裝置拍攝使用者眼球成像信息時可W對使用 者眼球位置進行補光。
[0013] 優(yōu)選地，在所述透鏡單元與所述顯示單元之間設置有一密閉空間，所述攝像單元 置于該密閉空間中。
[0014] 優(yōu)選地，所述近眼顯示裝置為虛擬現(xiàn)實頭盎。
[0015] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用單獨測量單側(cè)瞳孔坐標位置的方法不僅可W測量使 用者的瞳距，還可W測量使用者單側(cè)瞳孔偏離中屯、位置的位移，對于瞳孔不對稱的使用者 來說可W更精確地測量其視力信息，并且為手動或自動調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)W適應瞳孔位置提供 了依據(jù)。顯示屏播放虛擬的遠景可W調(diào)動使用者視線朝向正前方，有利于精準測量瞳距。通 過測量瞳孔左右兩側(cè)的位置來測算瞳孔的位置，使測量更加精確。通過測量不同光強下瞳 孔的坐標得出不同光強下使用者瞳孔的變化。將攝像裝置設置在顯示屏的邊緣，較好地利 用了反向崎變帶來的顯示盲區(qū)，使攝像裝置有更大的角度和焦距空間來拍攝使用者的眼球 圖像。采用固定焦距和朝向的攝像裝置，防止了整體圖像像素最高而眼球成像被虛化的情 況，進而防止處理單元產(chǎn)生誤判。步進電機和MCU的使用使控制更加精確。在透鏡單元與顯 示單元之間設置有一密閉空間容納攝像單元，避免灰塵等進入該空間對攝像裝置的內(nèi)外表 面和透鏡單元的內(nèi)表面造成污染，影響對眼球圖像的判斷。紅外補光裝置的設置可W保證 攝像裝置拍攝到足夠清晰的眼球圖像，更增加了測量瞳距的精準度。
【附圖說明】
[0016] 下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0017] 圖1是本發(fā)明近眼顯示裝置模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明近眼顯示裝置第二實施例攝像裝置具體位置示意圖；
[0019] 圖3是近眼顯示裝置具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明近眼顯示裝置攝像裝置拍攝圖像示意圖；
[0021 ]圖5是本發(fā)明近眼顯示裝置右攝像裝置拍攝圖像示意圖；
[0022] 圖6是本發(fā)明近眼顯示裝置左眼瞳孔橫坐標標定示意圖；
[0023] 圖7是本發(fā)明近眼顯示裝置左眼瞳孔橫坐標標定示意圖；
[0024] 圖8是本發(fā)明近眼顯示裝置不同光強下瞳孔圖像示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為了解決當前近眼顯示裝置沒有瞳距測量功能的缺陷，本發(fā)明提供一種可W自動 測量瞳距的近眼顯示裝置及方法。
[0026] 為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明 本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0027] 請參閱圖1，本發(fā)明近眼顯示裝置包括近眼顯示系統(tǒng)10,近眼顯示系統(tǒng)10可W是虛 擬現(xiàn)實頭盎。近眼顯示系統(tǒng)10包括透鏡單元12、顯示單元13、攝像單元14、處理單元15,顯示 單元13包括至少一顯示屏23。顯示屏23可W是OL邸(Organic Light-Emitting Diode;有機 電激光顯示)屏或LCD化iquid化ys化I Display;液晶顯示器)屏。在近眼顯示系統(tǒng)10中，攝 像單元14與處理單元15電性連接，處理單元15包括MClKMicro Controller Unit,微控制單 元），MCU可W控制攝像單元14的工作狀態(tài)。透鏡單元12與顯示單元13之間的空間為密閉空 間，攝像單元14安裝在該密閉空間中。在透鏡單元12與顯示單元13之間設置密閉空間可W 防止該空間與外界發(fā)生接觸，避免灰塵等進入該空間對攝像單元14的內(nèi)外表面和透鏡單元 12的內(nèi)表面造成污染，影響對眼球圖像的判斷。
[0028] 請參閱圖2-圖3，攝像單元14包括攝像裝置24和紅外補光裝置28，攝像裝置24包 括左攝像裝置241和右攝像裝置242,左攝像裝置241和右攝像裝置242為固定焦距和朝向的 攝像裝置，左攝像裝置241可W拍攝使用者左側(cè)眼球圖像，右攝像裝置242可W拍攝使用者 右側(cè)眼球圖像，并將圖像信息傳輸至處理單元15。為了防止使用過程中漏光影響顯示效果， 虛擬現(xiàn)實頭盎多在透鏡單元12的周圍設置軟質(zhì)的密封材料，使在使用者佩戴好近眼顯示裝 置后眼部僅能接收到顯示屏23發(fā)射的光線。運樣就使得眼部光線很暗，自動調(diào)焦過程中攝 像裝置24工作時很難捕捉到眼球的圖像。我們可W通過提高顯示屏23亮度的方法來使使用 者眼部被照亮，但運需要較高的光強，而較高的光強對使用者的視力會造成很大的損害。因 此，我們在攝像裝置24的旁邊設置紅外補光裝置28，在攝像裝置24準備開始工作時，紅外補 光裝置28啟動，對使用者眼部進行補光，運樣一方面保護了使用者的視力，另一方面使攝像 裝置24可W拍攝到清晰的圖像。
[0029] 在近眼顯示裝置的成像中，由于透鏡單元12的影響，顯示屏23上的圖像經(jīng)過透鏡 單元12時會出現(xiàn)枕形崎變，消除運種崎變是近眼顯示領域必須解決的問題?，F(xiàn)在一般會通 過更改顯示屏23顯示圖像的方式，對其進行反向崎變。圖2中顯示屏23顯示的圖像即為反向 崎變后的圖像，該圖像通過透鏡單元12后會還原成正常的圖像模式。在反向崎變的過程中， 由于顯示圖像的變化，在顯示屏23的邊緣會出現(xiàn)一部分不顯示的區(qū)域，運部分區(qū)域始終不 顯示圖像，是顯示盲區(qū)。我們將攝像裝置24和紅外補光裝置28設置在運部分顯示盲區(qū)中，運 樣既沒有影響顯示屏23的顯示效果，又充分利用了顯示屏23的空間，更重要的是，運樣一個 較遠的距離和較大的拍攝角度使拍攝眼球的圖像變得更加容易，更容易拍攝到清晰的眼球 圖像，有助于更準確地測量瞳距，對攝像裝置24本身的參數(shù)要求也降低很多。
[0030] 在測量使用者瞳距時，由于使用者在測量時瞳孔位置會隨眼球轉(zhuǎn)動而不停變化， 瞳距會隨之變化。為了讓使用者的視線朝向正前方，我們可W在顯示屏23上播放虛擬的遠 景圖像，調(diào)動使用者視線朝向正前方，處于相對自然的狀態(tài)，此時的瞳距測量會較為準確。
[0031] 請參閱圖4,由于攝像裝置24設置在透鏡單元12與顯示單元13之間的密閉空間中， 其采集眼球的圖像信息必須通過透鏡單元12的光學處理，因此需要精確其朝向，使使用者 眼球的圖像光線經(jīng)透鏡單元12處理后可W射入攝像裝置24。我們可W通過實驗的方式確定 其朝向信息，使攝像裝置24可W拍攝到使用者眼球的圖像，運個朝向?qū)τ诓煌氖褂谜呤?相同的。在透鏡單元12未開始運動的情況下，根據(jù)光路可逆原理，攝像裝置24拍攝到圖像唯 一確定。
[0032] 請參閱圖5,圖5是近眼顯示裝置測量瞳距原理示意圖。左攝像裝置241和右攝像裝 置242固定在近眼顯示系統(tǒng)10上，當使用者佩戴好近眼顯示系統(tǒng)10后，其兩個眼睛所在的直 線為m，m到透鏡單元12的距離為dl，左攝像裝置241和右攝像裝置242所在的直線為n，n與透 鏡單元12之間的距離為定值d2。由于在眼部結(jié)構(gòu)方面人類種群之間的差異性很小，所Wdl 對于不同的使用者差異性很小，不影響最終的瞳距測量數(shù)據(jù)。因此，我們在運里認為dl是固 定的常量。在dl為固定常量、d2為定值的情況下，右攝像裝置242所拍攝的圖像20中每兩個 點之間的實際距離唯一確定，通過提前標定圖像20中兩點之間距離與實際距離之間的換算 關系，即可通過圖像20上的兩點之間的距離計算出運兩點之間的實際距離。同樣，由于dl為 固定常量、d2為定值，所W我們沒有使用帶自動測量瞳距功能的攝像機而選用固定焦距和 朝向的攝像裝置24。
[0033] 請參閱圖6-圖7,圖6為使用者右眼瞳孔橫坐標標定的示意圖。處理單元15定義一 個坐標軸X，定義一個在使用者兩眼之間中屯、點0為坐標軸原點，該中屯、點0可W在近眼顯示 系統(tǒng)10的中軸線上。瞳孔上任一點的橫坐標為瞳孔上該點到坐標軸的垂線所對應的坐標。 圖像20是右攝像裝置242所拍攝的圖像，圖像20中瞳孔最左側(cè)的點對應使用者右眼瞳孔最 右側(cè)位置，該位置坐標為A，因此，使用者右眼瞳孔最右側(cè)橫坐標為(-I0AI)。為了得到瞳孔 精確的位置坐標，我們需要測量瞳孔最左側(cè)位置坐標和瞳孔最右側(cè)的位置坐標，取其平均 值為瞳孔的位置坐標。在圖像20中，瞳孔最右側(cè)的點對應使用者右眼瞳孔最左側(cè)位置，該位 置坐標為A'，因此，使用者右眼瞳孔最右側(cè)橫坐標為(-lOA'I)。綜合運兩個坐標，使用者的 右眼瞳孔坐標為(一I DA I + I 0A I )。圖7示出的是左攝像裝置241拍攝圖像的處理方法， 2 與右攝像裝置242拍攝圖像的處理方法相似，使用者左眼瞳孔坐標為（I DB I + I0B< I )。 2 由此可W計算出，使用者的瞳距為
用運種方法不但可 W測出使用者的瞳距，還可W單獨標定出使用者單側(cè)的眼部瞳孔距離中屯、點的位置，對于 瞳孔不對稱的使用者來說可W更精確地測量其視力信息。
[0034] 請參閱圖8,在實際使用過程中，由于使用者的瞳孔大小會隨光線的強弱發(fā)生變化， 瞳距會發(fā)生輕微的變化，我們可W在測量使用者瞳距的過程中，利用顯示屏23發(fā)出不同光強 的光，測量不同光強下使用者左眼瞳孔坐標與右眼瞳孔坐標，得到一組瞳孔橫坐標的集合。如 圖所示，當顯示屏23發(fā)光光強較弱時，使用者瞳孔放大增加進光量，右攝像裝置242拍攝的圖 像20中瞳孔較大，此時，使用者右眼瞳孔左側(cè)坐標和右側(cè)坐標分別是(-I0C'I)和(-IOCl )，使 用者右眼瞳孔坐標為（一I ae I+ I0E I );當顯示屏23發(fā)光光強較強時，使用者瞳孔縮小 么 減少進光量，右攝像裝置242拍攝的圖像20中瞳孔較小，此時，使用者右眼瞳孔左側(cè)坐標和 右側(cè)坐標分別是(-1〇〇'|)和(-|〇〇|)，使用者右眼瞳孔坐標為（一1〇〇,1±1,〇〇,,,1)，使用 2 者右眼瞳孔的坐標集合為
。左眼瞳孔坐標測 量的方式相同，在此不再寶述。運里示出了兩種不同光強下瞳孔坐標的集合，在實際使用 中，可W分別測量多種不同光強下瞳孔坐標，得到元素更多的集合，進一步提高測量的精確 度。得到瞳孔坐標的集合后，可W用一定規(guī)則對該數(shù)據(jù)進行處理，如算數(shù)平均或幾何平均， 進而得到一個不同光強平均狀態(tài)下的瞳孔坐標。
[0035] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用單獨測量單側(cè)瞳孔坐標位置的方法不僅可W測量使 用者的瞳距，還可W測量使用者單側(cè)瞳孔偏離中屯、位置的位移，對于瞳孔不對稱的使用者 來說可W更精確地測量其視力信息，并且為手動或自動調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)W適應瞳孔位置提供 了依據(jù)。顯示屏23播放虛擬的遠景可W調(diào)動使用者視線朝向正前方，有利于精準測量瞳距。 通過測量瞳孔左右兩側(cè)的位置來測算瞳孔的位置，使測量更加精確。通過測量不同光強下 瞳孔的坐標得出不同光強下使用者瞳孔的變化。將攝像單元14設置在顯示屏23的邊緣，較 好地利用了反向崎變帶來的顯示盲區(qū)，使攝像單元14有更大的角度和焦距空間來拍攝使用 者的眼球圖像。采用固定焦距和朝向的攝像裝置24,防止了整體圖像像素最高而眼球成像 被虛化的情況，進而防止處理單元15產(chǎn)生誤判。步進電機和MCU的使用使控制更加精確。在 透鏡單元12與顯示單元13之間設置有一密閉空間容納攝像單元14,避免灰塵等進入該空間 對攝像裝置24的內(nèi)外表面和透鏡單元12的內(nèi)表面造成污染，影響對眼球圖像的判斷。紅外 補光裝置28的設置可W保證攝像裝置24拍攝到足夠清晰的眼球圖像，更增加了測量瞳距的 精準度。
[0036] 上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體 實施方式，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員 在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，運些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，其特征在于，所述近眼顯示裝置包括透鏡 單元、攝像單元、處理單元和顯示單元，所述攝像單元包括固定焦距和朝向的攝像裝置，所 述攝像裝置包括左攝像裝置和右攝像裝置，所述左攝像裝置可以拍攝使用者左側(cè)眼球圖 像，所述右攝像裝置可以拍攝使用者右側(cè)眼球圖像，所述攝像單元可以將拍攝到的圖像信 息傳輸至所述處理單元，所述處理單元根據(jù)接收到的信息判斷使用者瞳孔的橫坐標，并根 據(jù)所述左攝像裝置和所述右攝像裝置拍攝圖像中瞳孔橫坐標的差值計算出使用者的瞳距。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，其特征在于，所述顯示單 元播放虛擬的遠景圖像，調(diào)動使用者視線朝向正前方，所述攝像單元拍攝使用者眼球圖像。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，其特征在于，所述處理單 元根據(jù)接收到的圖片信息分別標定使用者瞳孔左側(cè)橫坐標和瞳孔右側(cè)橫坐標，并根據(jù)使用 者瞳孔左側(cè)橫坐標和瞳孔右側(cè)橫坐標確定使用者瞳孔的橫坐標。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，其特征在于，所述處理單 元定義一個坐標軸，以使用者右眼到左眼的方向為正方向，在使用者兩眼之間定義一個虛 擬的中心點作為原點，所述瞳孔上任一點的橫坐標為瞳孔上該點到坐標軸的垂線所對應的 橫坐標。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，其特征在于，所述處理單 元分別記錄使用者左側(cè)瞳孔的橫坐標與使用者右側(cè)瞳孔的橫坐標。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的近眼顯示裝置自動測量瞳距的方法，其特征在于，所述顯示單 元調(diào)節(jié)發(fā)光強度，所述攝像單元分別拍攝不同光照強度下眼部圖片信息并傳輸至所述處理 單元，所述處理單元分別測定不同光照強度下瞳孔左側(cè)橫坐標和瞳孔右側(cè)橫坐標，并根據(jù) 瞳孔左側(cè)橫坐標和瞳孔右側(cè)橫坐標確定瞳孔的橫坐標的集合，根據(jù)瞳孔橫坐標的集合計算 瞳孔的位置信息和瞳距信息。7. -種自動測量瞳距的近眼顯示裝置，其特征在于，包括透鏡單元、攝像單元、處理單 元和顯示單元，所述攝像單元包括左攝像裝置和右攝像裝置，所述攝像單元與所述處理單 元電性連接并固定在所述近眼顯示裝置中，所述顯示單元包括顯示屏，所述攝像單元設置 在所述顯示屏的邊緣。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的近眼顯示裝置，其特征在于，所述攝像單元進一步包括紅外補 光裝置，所述紅外補光裝置設置在所述顯示屏的邊緣，所述紅外補光裝置在所述攝像裝置 拍攝使用者眼球成像信息時可以對使用者眼球位置進行補光。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的近眼顯示裝置，其特征在于，在所述透鏡單元與所述顯示單元 之間設置有一密閉空間，所述攝像單元置于該密閉空間中。10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項所述的近眼顯示裝置，其特征在于，所述近眼顯示裝置為 虛擬現(xiàn)實頭盔。
【文檔編號】G02B27/01GK106019588SQ201610470579
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】黨少軍
【申請人】深圳市虛擬現(xiàn)實科技有限公司