TWI614530B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種頭戴式顯示裝置包括顯示器、第一透鏡、至少一光源、至少一針孔以及至少一影像擷取元件。眼球利用第一透鏡觀看顯示器。至少一光源發出至少一光束，以照射眼球。至少一針孔配置於顯示器與第一透鏡之間的空間外。被眼球反射的至少一光束穿過至少一針孔，以在至少一影像擷取元件上形成影像。

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置。

頭戴式顯示裝置是用於顯示圖像及色彩的設備，並可與使用者產生互動。通常採眼罩或頭盔的型式，將顯示器貼近用戶的眼睛，並利用放大透鏡調整光路，以在近距離中對眼睛投射畫面。頭戴式顯示器能產生一個廣視角的畫面，視角通常可超過90度。頭戴式顯示裝置也常設有眼球追蹤器，虛擬實境軟體利用眼球追蹤器追蹤用戶的視角來改變立體場景的視點。然而，在習知技術中，用以追蹤眼球之光束的光路易受頭戴式顯示裝置的其他構件影響，而無法良好地成像於眼球追蹤器的影像擷取元件上，不利於眼球追蹤功能。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，性能佳。

本發明的頭戴式顯示裝置至少包括顯示器、第一透鏡、至少一光源、至少一針孔以及至少一影像擷取元件。使用者可利用第一透鏡觀看顯示器。至少一光源發出至少一光束，以照射使用者的眼球。至少一針孔配置於顯示器與第一透鏡之間的空間外。被眼球反射的至少一光束穿過至少一針孔，以在至少一影像擷取元件上形成影像。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括殻體。殻體具有相對的第一開口及第二開口。第一透鏡及顯示器分別覆蓋第一開口及第二開口，而針孔配置於第一透鏡、殻體及顯示器所圍出的空間外。

在本發明的一實施例中，上述的殻體包括第一表面、相對於第一表面的第二表面以及連接於第一表面與第二表面之間的側壁。第一表面具有第一開口，第二表面具有第二開口，而第一透鏡及顯示器分別覆蓋第一開口及第二開口。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括與殻體連接的構件。構件至少包括第一部分構件，針孔係形成於第一部分構件上且凸出於殻體的第一表面及側壁。

在本發明的一實施例中，上述的構件為固定環。固定環固定於殻體的第一表面上且暴露第一透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光源配置於固定環上。

在本發明的一實施例中，上述的構件更包括第二部分構件，第一部分構件與第二部分構件係形成容置空間，影像擷取元件設置於固定環之容置空間內。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括第二透鏡。第二透鏡設置於固定環之容置空間內上，其中被眼球反射的光束依序穿過針孔及第二透鏡而於影像擷取元件上形成影像。

在本發明的一實施例中，上述的至少一影像擷取元件配置於殻體的側壁上。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括第二透鏡。第二透鏡配置於所述空間外且位於至少一針孔與至少一影像擷取元件之間，其中被眼球反射的至少一光束依序穿過至少一針孔及第二透鏡而於至少一影像擷取元件上形成影像。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括與至少一影像擷取元件電性連接的處理單元。處理單元根據所述影像追蹤眼球之至少一移動軌跡。

在本發明的一實施例中，上述的光束為紅外線。

在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡為菲涅耳透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的針孔與固定環係一體成型。

在本發明的一實施例中，上述的針孔係為一薄片型結構，其可與固定環作連接。

在本發明的一實施例中，上述的至少一影像擷取元件係形成於側壁上。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括第二透鏡。第二透鏡係形成於側壁上且配置於至少一針孔與至少一影像擷取元件之間。

在本發明的一實施例中，上述被眼球反射的至少一光束依序穿過至少一針孔、第二透鏡而於至少一影像擷取元件上形成影像。

基於上述，本發明一實施例的頭戴式顯示裝置利用針孔成像原理在影像擷取元件上形成影像，因此不論眼球距離針孔的遠近，影像擷取元件均能取得相同清晰度的眼球特徵影像。藉此，即便因頭戴式顯示裝置的製作公差、使用者配戴的方式或其他因素使得針孔與眼球的距離存在變異，影像擷取元件均能取得足夠清晰的眼球特徵影像，以有助於眼球追蹤功能。更重要的是，由於針孔配置於顯示器與第一透鏡之間的空間外，因此穿過針孔的光束不會被第一透鏡偏折，而能良好地成像於影像擷取元件上，進而能實現眼球追蹤效果良好的頭戴式顯示裝置。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。請參照圖1，頭戴式顯示裝置100用以供眼球10觀看。頭戴式顯示裝置（head-mounted display，HMD）100至少包括顯示器110、第一透鏡120、光源130、針孔140及影像擷取元件150。第一透鏡120配置於顯示器110與眼球10之間。使用者的眼球10經由第一透鏡120觀看顯示器110所呈現之多媒體影像。詳言之，在本實施例中，顯示器110用以發出影像光束（未繪示），影像光束穿過第一透鏡120而傳遞至眼球10；透過第一透鏡120，眼球10能觀看到放大的虛像。換言之，頭戴式顯示裝置100可應用在虛擬實境系統（virtual reality system）、擴增實境系統（augmented reality system）及/或混合實境系統（mixed reality system）中，但本發明不限於此。另外，為縮小頭戴式顯示裝置100的體積與重量，在本實施例中，第一透鏡120可選擇性地為菲涅耳透鏡（Fresnel lens），但本發明不限於此，在其他實施例中，第一透鏡120也可為其他適當種類的光學元件。

顯示器110與第一透鏡120可利用支架（Holder）維持適當的距離。舉例而言，在本實施例中，所述支架可選擇性地為殻體160，大致為一桶狀造型，而顯示器110與第一透鏡120可安裝在殻體160的相對兩端上，以維持適當的距離。詳言之，殻體160具有面向眼球10的第一表面162、相對於第一表面162的第二表面164以及連接於第一表面162與第二表面164之間的側壁166，第一表面162具有第一開口160a，第二表面164具有第二開口160b，而第一透鏡120及顯示器110可分別覆蓋第一開口160a及第二開口160b。

光源130用以發出光束L，以照射眼球10。更進一步地說，光束L是用以追蹤眼球10之移動軌跡。詳言之，在本實施例中，被眼球10特徵（例如：角膜及/或水晶體）反射的光束L可在影像擷取元件150上形成具有眼球特徵的影像。頭戴式顯示裝置100可進一步包括處理單元170，處理單元170與影像擷取元件150電性連接，處理單元170根據眼球特徵的影像而追蹤眼球10之移動軌跡。舉例而言，處理單元170可利用演算法計算影像擷取元件150所擷取到的眼球特徵影像的特徵點（feature point）與瞳孔的位置關係，進而達成追蹤眼球10移動軌跡的功能。為避免追蹤眼球10用的光束L干擾眼球10觀看顯示器110的效果，在本實施例中，光束L可選用不易傷害眼球10的非可見光，例如：紅外光（infrared，IR），但本發明不以此為限。

在本實施例中，頭戴式顯示裝置100可選擇性地包括與殻體160連接的構件180 。構件180例如為固定環（ring）。構件180固定於殻體160的第一表面162上且暴露第一透鏡120。在本實施例中，構件180的內側可具有第一螺紋（未繪示），殻體160可具有第二螺紋（未繪示），透過第一螺紋與第二螺紋的搭配，構件180可鎖固於殻體160上，但本發明不以此為限。在本實施例中，光源130可選擇性地配置於構件180（例如：固定環）上，但本發明不以此為限，只要光源130所發出的光束L能照射到眼球10，在其他實施例中，光源130也可設置在其他適當位置。此外，圖中所繪的光源130的數量及其分佈方式僅是用以舉例說明本發明而非用以限制本發明，在其他實施例中，光源130的數量及其分佈方式也可視實際需求做其他適當設計。

針孔（pinhole）140配置於顯示器110與第一透鏡120之間的空間20外。空間20泛指由顯示器110發出且能傳遞至第一透鏡120的影像光束（未繪示）的分佈空間。具體而言，在本實施例中，空間20可指第一透鏡120、殻體160及顯示器110圍出的空間，但本發明不以此為限。被眼球10特徵所反射的光束L穿過針孔140，以在影像擷取元件150上形成眼球特徵影像。由於眼球10的特徵是利用針孔成像原理成像於影像擷取元件150上，因此不論眼球10距離針孔140的遠近，影像擷取元件150仍能取得相同清晰度的眼球特徵影像。藉此，即便因頭戴式顯示裝置100的製作公差、使用者配戴的方式或其他因素使得針孔140與眼球10的距離存在變異，影像擷取元件150仍能取得足夠清晰的眼球特徵影像，以有助於頭戴式顯示裝置100的眼球追蹤（eye tracking）功能。更重要的是，由於針孔140配置於顯示器110與第一透鏡120之間的空間20外，因此穿過針孔140的光束L不會被第一透鏡120偏折，而能良好地成像於影像擷取元件150上，進而實現眼球追蹤功能效果良好的頭戴式顯示裝置100。

除此之外，利用針孔成像在本發明所述之光學應用上至少還有兩大優點：其一，由於針孔140可視為一個光圈，因此可限定入光的範圍。如此一來，可避免眼球10上的雜散光進入至影像擷取元件150，故能使後續演算法在運算時減少光點或特徵亮點的誤判，造成眼球追蹤錯誤。其二，由於光束L在進入影像擷取元件150之前已經在針孔140處交叉匯聚，故利用針孔成像可增加眼球10至影像擷取元件150的距離，其主要係解決某些影像擷取元件焦長過長的問題，進而提高設計上的彈性及便利性。

在本實施例中，針孔140可選擇性地設置在構件180上。具有針孔140的第一部分構件182可凸出於殻體160的第一表面162及側壁166，以利於穿過針孔140的光束L傳遞至配置於側壁166上的影像擷取元件150中。需說明的是，上述針孔140及影像擷取元件150的設置方式僅是用以舉例說明本發明而非用以限制本發明，在其他實施例中，也可利用其他方式將針孔140設置於顯示器110與第一透鏡120之間的空間20外，並將影像擷取元件150設置於能接收到穿過針孔140的光束L的其他適當位置。在本實施例中，影像擷取元件150的數量對應於針孔140的數量。舉例而言，若頭戴式顯示裝置100包括多個針孔140，則多個針孔140各自對應多個影像擷取元件150。在本實施中，影像擷取元件150例如為電荷耦合感測器（charge-coupled device，CCD）或互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor；CMOS）感測器，但本發明不以此為限。

圖2為本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。請參照圖2，頭戴式顯示裝置100A與頭戴式顯示裝置100類似，因此相同或相對應的元件以相同或相對應的標號表示。頭戴式顯示裝置100A與頭戴式顯示裝置100的主要差異在於：頭戴式顯示裝置100A較頭戴式顯示裝置100多了第二透鏡190。以下主要說 明此差異，兩者相同或相對應處，還請參照前述說明。

請參照圖2，頭戴式顯示裝置100A至少包括顯示器110、第一透鏡120、光源130、針孔140及影像擷取元件150。眼球10經由第一透鏡120觀看顯示器110所呈現之多媒體影像。光源130發出光束L，以照射眼球。針孔140配置於顯示器110與第一透鏡120之間的空間20外。被眼球10反射的光束L穿過針孔140，以在影像擷取元件150上形成影像。與頭戴式顯示裝置100不同的是，頭戴式顯示裝置100A還包括第二透鏡190。第二透鏡190配置於空間20外，且位於針孔140與影像擷取元件150之間。被眼球10反射的光束L依序穿過針孔140及第二透鏡190而成像於影像擷取元件150上。第二透鏡190可將穿過針孔140的光束L匯聚於影像擷取元件150上，進而縮短針孔140與影像擷取元件150之間所需的距離。換言之，透過第二透鏡190的設置，頭戴式顯示裝置100A整體的結構設計可更具彈性。

圖3為本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。圖4為圖3的頭戴式顯示裝置的部分元件的側視圖。請參照圖3及4，頭戴式顯示裝置100B與前述之頭戴式顯示裝置100類似，因此相同或相對應的元件以相同或相對應的標號表示。頭戴式顯示裝置100B與頭戴式顯示裝置100的主要差異在於：頭戴式顯示裝置100B的光源130、針孔140及影像擷取元件150可均設置於固定環180上，以作為單一配件供不同頭戴式顯示器使用。詳言之，頭戴式顯示裝置100B的固定環180的邊緣處可具有至少一第二部分構件183。第二部分構件183可與第一部分構件182形成容置空間。在本實施例中，第二部分構件183與第一部分構件182可形成一容置。所述容置空間至少可用以容納針孔140及影像擷取元件150，其中第二部分構件183的一端係用以配置針孔140，而第二部分構件183之遠離眼球10的另一端則可設置影像擷取元件150。實作上，針孔140與第二部分構件183可以與固定環180係一體成型之結構，又或者針孔140為設置在額外的一薄片型結構（例如：圖4所示之第一部分構件182也可為固定環180外的另一構件）上，所述薄片型結構可與固定環180作連接，以將容置空間大致上形成一封閉空間。可理解地，針孔140之直徑係小於影像擷取元件150者，然為了在圖式上便於解釋其相對位置關係，故於繪製上並未依據實際之比例。此外，兩者相同或相對應處，還請參照前述說明，於此便不再重述。

圖5為本發明再一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。請參照圖5，頭戴式顯示裝置100C與前述圖4之頭戴式顯示裝置100A類似，因此相同或相對應的元件以相同或相對應的標號表示。頭戴式顯示裝置100C與頭戴式顯示裝置100A的主要差異在於：頭戴式顯示裝置100C的光源130、針孔140、影像擷取元件150及第二透鏡190可均設置在固定環180上，以作為單一配件供不同頭戴式顯示器使用。詳言之，頭戴式顯示裝置100C的固定環180至少包括設置於所述容置空間內的針孔140、影像擷取元件150及第二透鏡190。被眼球10反射的光束L可依序穿過針孔140及第二透鏡190而於影像擷取元件150上形成影像。此外，兩者相同或相對應處，還請參照前述說明，於此便不再重述。

綜上所述，本發明一實施例的頭戴式顯示裝置至少包括顯示器、第一透鏡、光源、針孔及影像擷取元件。眼球利用第一透鏡觀看顯示器。光源發出光束，以照射眼球。針孔配置於顯示器與第一透鏡之間的空間外。被眼球反射的光束穿過針孔，以在影像擷取元件上形成影像。

特別是，眼球的特徵是利用針孔成像原理在影像擷取元件上形成影像，因此不論眼球距離針孔的遠近，影像擷取元件均能取得相同清晰度的眼球特徵影像。藉此，即便因頭戴式顯示裝置的製作公差、使用者配戴的方式或其他因素使得針孔與眼球的距離存在變異，影像擷取元件均能取得足夠清晰的眼球特徵影像，以有助於眼球追蹤功能。

更重要的是，由於針孔配置於顯示器與第一透鏡之間的空間外，因此穿過針孔的光束不會被第一透鏡偏折，而能良好地成像於影像擷取元件上，進而能實現眼球追蹤效果良好的頭戴式顯示裝置。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10：眼球 20：空間 100、100A、100B、100C：頭戴式顯示裝置 110：顯示器 120：第一透鏡 130：光源 140：針孔 150：影像擷取元件 160：殻體 160a：第一開口 160b：第二開口 162：第一表面 164：第二表面 166：側壁 170：處理單元 180：構件 182：第一部分構件 183：第二部分構件 190：第二透鏡 L：光束

圖1為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。 圖2為本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。 圖3為本發明又一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。 圖4為圖3的頭戴式顯示裝置的部分元件的側視圖。 圖5為本發明再一實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件示意圖。

10：眼球 20：空間 100：頭戴式顯示裝置 110：顯示器 120：第一透鏡 130：光源 140：針孔 150：影像擷取元件 160：殻體 160a：第一開口 160b：第二開口 162：第一表面 164：第二表面 166：側壁 170：處理單元 180：構件 182：第一部分構件 L：光束

Claims (17)

1. 一種頭戴式顯示裝置，用以提供一多媒體影像，該頭戴式顯示裝置至少包括： 一顯示器； 一第一透鏡，其係可讓使用者利用該第一透鏡觀看該顯示器； 至少一光源，發出至少一光束，以照射該使用者之眼球； 至少一針孔，配置於該顯示器與該第一透鏡之間的一空間外；以及 至少一影像擷取元件，其中被該眼球反射的該至少一光束穿過該至少一針孔，以在該至少一影像擷取元件上形成一影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括： 一殻體，具有相對的一第一開口及一第二開口，其中該第一透鏡及該顯示器分別覆蓋該第一開口及該第二開口，而該針孔配置於該第一透鏡、該殻體及該顯示器所圍出的該空間外。
3. 如申請專利範圍第2項所述的頭戴式顯示裝置，其中該殻體包括一第一表面、相對於該第一表面的一第二表面以及連接於該第一表面與該第二表面之間的一側壁，該第一表面具有該第一開口，該第二表面具有該第二開口，而該頭戴式顯示裝置更包括： 一構件，與該殻體連接，其至少包括一第一部分構件，且該針孔係形成於該第一部分構件上且凸出於該殻體的該第一表面及該側壁。
4. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該構件為一固定環，該固定環固定於該殻體的該第一表面上且暴露該第一透鏡。
5. 如申請專利範圍第4項所述的頭戴式顯示裝置，其中該至少一光源配置於該固定環上。
6. 如申請專利範圍第4項所述的頭戴式顯示裝置，其中該構件更包括： 一第二部分構件，該第一部分構件與該第二部分構件係形成一容置空間，該影像擷取元件設置於該固定環之該容置空間內。
7. 如申請專利範圍第6項所述的頭戴式顯示裝置，更包括： 一第二透鏡，設置於該固定環之該容置空間內，其中被該眼球反射的該至少一光束依序穿過該至少一針孔及該第二透鏡而於該至少一影像擷取元件上形成該影像。
8. 如申請專利範圍第2項所述的頭戴式顯示裝置，其中該殻體包括一第一表面、相對於該第一表面的一第二表面以及連接於該第一表面與該第二表面之間的一側壁，該第一表面具有該第一開口，該第二表面具有該第二開口，而該至少一影像擷取元件配置於該殻體的該側壁上。
9. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括： 一第二透鏡，配置於該空間外且位於該至少一針孔與該至少一影像擷取元件之間，其中被該眼球反射的該至少一光束依序穿過該至少一針孔及該第二透鏡而於該至少一影像擷取元件上形成該影像。
10. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括： 一處理單元，與該至少一影像擷取元件電性連接，其中該處理單元根據該影像追蹤該眼球之至少一移動軌跡。
11. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該至少一光束為一紅外線。
12. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一透鏡為一菲涅耳透鏡。
13. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示裝置，其中該針孔與該固定環係一體成型。
14. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示裝置，其中該針孔係為一薄片型結構，其可與該固定環作連接。
15. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該至少一影像擷取元件係形成於該側壁上。
16. 如申請專利範圍第15項所述的頭戴式顯示裝置，更包括： 一第二透鏡，該第二透鏡係形成於該側壁上，配置於該至少一針孔與該至少一影像擷取元件之間。
17. 如申請專利範圍第16項所述的頭戴式顯示裝置，其中被該眼球反射的該至少一光束依序穿過該至少一針孔、該第二透鏡而於該至少一影像擷取元件上形成該影像。