CN107229122B - 头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种头戴式显示装置，其包括显示器、第一透镜、至少一光源、至少一针孔以及至少一图像提取元件。眼球利用第一透镜观看显示器。至少一光源发出至少一光束，以照射眼球。至少一针孔配置于显示器与第一透镜之间的空间外。被眼球反射的至少一光束穿过至少一针孔，以在至少一图像提取元件上形成图像。

Description

头戴式显示装置

技术领域

本发明涉及一种显示装置，且特别是涉及一种头戴式显示装置。

背景技术

头戴式显示装置是用于显示图像及色彩的设备，并可与使用者产生互动。通常采眼罩或头盔的型式，将显示器贴近用户的眼睛，并利用放大透镜调整光路，以在近距离中对眼睛投射画面。头戴式显示器能产生一个广视角的画面，视角通常可超过90度。头戴式显示装置也常设有眼球追踪器，虚拟实境软件利用眼球追踪器追踪用户的视角来改变立体场景的视点。然而，在现有技术中，用以追踪眼球的光束的光路易受头戴式显示装置的其他构件影响，而无法良好地成像于眼球追踪器的图像提取元件上，不利于眼球追踪功能。

发明内容

本发明提供一种头戴式显示装置，性能佳。

本发明的头戴式显示装置至少包括显示器、第一透镜、至少一光源、至少一针孔以及至少一图像提取元件。使用者可利用第一透镜观看显示器。至少一光源发出至少一光束，以照射使用者的眼球。至少一针孔配置于显示器与第一透镜之间的空间外。被眼球反射的至少一光束穿过至少一针孔，以在至少一图像提取元件上形成图像。

在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括壳体。壳体具有相对的第一开口及第二开口。第一透镜及显示器分别覆盖第一开口及第二开口，而针孔配置于第一透镜、壳体及显示器所围出的空间外。

在本发明的一实施例中，上述的壳体包括第一表面、相对于第一表面的第二表面以及连接于第一表面与第二表面之间的侧壁。第一表面具有第一开口，第二表面具有第二开口，而头戴式显示装置还包括与壳体连接的构件。构件至少包括第一部分构件，针孔形成于第一部分构件上且凸出于壳体的第一表面及侧壁。

在本发明的一实施例中，上述的构件为固定环。固定环固定于壳体的第一表面上且暴露第一透镜。

在本发明的一实施例中，上述的至少一光源配置于固定环上。

在本发明的一实施例中，上述的构件还包括第二部分构件，第一部分构件与第二部分构件形成容置空间，图像提取元件设置于固定环的容置空间内。

在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括第二透镜。第二透镜设置于固定环的容置空间内上，其中被眼球反射的光束依序穿过针孔及第二透镜而于图像提取元件上形成图像。

在本发明的一实施例中，上述的壳体包括第一表面、相对于第一表面的第二表面以及连接于第一表面与第二表面之间的侧壁，第一表面具有第一开口，第二表面具有第二开口，而至少一图像提取元件配置于壳体的侧壁上。

在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括第二透镜。第二透镜配置于所述空间外且位于至少一针孔与至少一图像提取元件之间，其中被眼球反射的至少一光束依序穿过至少一针孔及第二透镜而于至少一图像提取元件上形成图像。

在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括与至少一图像提取元件电连接的处理单元。处理单元根据所述图像追踪眼球的至少一移动轨迹。

在本发明的一实施例中，上述的至少一光束为红外线。

在本发明的一实施例中，上述的第一透镜为菲涅耳透镜。

在本发明的一实施例中，上述的针孔与固定环是一体成型。

在本发明的一实施例中，上述的针孔为一薄片型结构，其可与固定环作连接。

在本发明的一实施例中，上述的至少一图像提取元件形成于侧壁上。

在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括第二透镜。第二透镜形成于侧壁上且配置于至少一针孔与至少一图像提取元件之间。

在本发明的一实施例中，上述被眼球反射的至少一光束依序穿过至少一针孔、第二透镜而于至少一图像提取元件上形成图像。

基于上述，本发明一实施例的头戴式显示装置利用针孔成像原理在图像提取元件上形成图像，因此不论眼球距离针孔的远近，图像提取元件均能取得相同清晰度的眼球特征图像。由此，即便因头戴式显示装置的制作公差、使用者配戴的方式或其他因素使得针孔与眼球的距离存在变异，图像提取元件均能取得足够清晰的眼球特征图像，以有助于眼球追踪功能。更重要的是，由于针孔配置于显示器与第一透镜之间的空间外，因此穿过针孔的光束不会被第一透镜偏折，而能良好地成像于图像提取元件上，进而能实现眼球追踪效果良好的头戴式显示装置。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图；

图2为本发明另一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图；

图3为本发明又一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图；

图4为图3的头戴式显示装置的部分元件的侧视图；

图5为本发明再一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图。

符号说明

10：眼球

20：空间

100、100A、100B、100C：头戴式显示装置

110：显示器

120：第一透镜

130：光源

140：针孔

150：图像提取元件

160：壳体

160a：第一开口

160b：第二开口

162：第一表面

164：第二表面

166：侧壁

170：处理单元

180：构件

182：第一部分构件

183：第二部分构件

190：第二透镜

L：光束

具体实施方式

图1为本发明一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图。请参照图1，头戴式显示装置100用以供眼球10观看。头戴式显示装置(head-mounted display，HMD)100至少包括显示器110、第一透镜120、光源130、针孔140及图像提取元件150。第一透镜120配置于显示器110与眼球10之间。使用者的眼球10经由第一透镜120观看显示器110所呈现的多媒体图像。详言之，在本实施例中，显示器110用以发出图像光束(未绘示)，图像光束穿过第一透镜120而传递至眼球10；通过第一透镜120，眼球10能观看到放大的虚像。换言之，头戴式显示装置100可应用在虚拟实境系统(virtual reality system)、扩增实境系统(augmentedreality system)及/或混合实境系统(mixed reality system)中，但本发明不限于此。另外，为缩小头戴式显示装置100的体积与重量，在本实施例中，第一透镜120可选择性地为菲涅耳透镜(Fresnel lens)，但本发明不限于此，在其他实施例中，第一透镜120也可为其他适当种类的光学元件。

显示器110与第一透镜120可利用支架(Holder)维持适当的距离。举例而言，在本实施例中，所述支架可选择性地为壳体160，大致为一桶状造型，而显示器110与第一透镜120可安装在壳体160的相对两端上，以维持适当的距离。详言之，壳体160具有面向眼球10的第一表面162、相对于第一表面162的第二表面164以及连接于第一表面162与第二表面164之间的侧壁166，第一表面162具有第一开口160a，第二表面164具有第二开口160b，而第一透镜120及显示器110可分别覆盖第一开口160a及第二开口160b。

光源130用以发出光束L，以照射眼球10。更进一步地说，光束L是用以追踪眼球10的移动轨迹。详言之，在本实施例中，被眼球10特征(例如：角膜及/或水晶体)反射的光束L可在图像提取元件150上形成具有眼球特征的图像。头戴式显示装置100可进一步包括处理单元170，处理单元170与图像提取元件150电连接，处理单元170根据眼球特征的图像而追踪眼球10的移动轨迹。举例而言，处理单元170可利用演算法计算图像提取元件150所提取到的眼球特征图像的特征点(feature point)与瞳孔的位置关系，进而达成追踪眼球10移动轨迹的功能。为避免追踪眼球10用的光束L干扰眼球10观看显示器110的效果，在本实施例中，光束L可选用不易伤害眼球10的非可见光，例如：红外光(infrared，IR)，但本发明不以此为限。

在本实施例中，头戴式显示装置100可选择性地包括与壳体160连接的构件180。构件180例如为固定环(ring)。构件180固定于壳体160的第一表面162上且暴露第一透镜120。在本实施例中，构件180的内侧可具有第一螺纹(未绘示)，壳体160可具有第二螺纹(未绘示)，通过第一螺纹与第二螺纹的搭配，构件180可锁固于壳体160上，但本发明不以此为限。在本实施例中，光源130可选择性地配置于构件180(例如：固定环)上，但本发明不以此为限，只要光源130所发出的光束L能照射到眼球10，在其他实施例中，光源130也可设置在其他适当位置。此外，图中所绘的光源130的数量及其分布方式仅是用以举例说明本发明而非用以限制本发明，在其他实施例中，光源130的数量及其分布方式也可视实际需求做其他适当设计。

针孔(pinhole)140配置于显示器110与第一透镜120之间的空间20外。空间20泛指由显示器110发出且能传递至第一透镜120的图像光束(未绘示)的分布空间。具体而言，在本实施例中，空间20可指第一透镜120、壳体160及显示器110围出的空间，但本发明不以此为限。被眼球10特征所反射的光束L穿过针孔140，以在图像提取元件150上形成眼球特征图像。由于眼球10的特征是利用针孔成像原理成像于图像提取元件150上，因此不论眼球10距离针孔140的远近，图像提取元件150仍能取得相同清晰度的眼球特征图像。由此，即便因头戴式显示装置100的制作公差、使用者配戴的方式或其他因素使得针孔140与眼球10的距离存在变异，图像提取元件150仍能取得足够清晰的眼球特征图像，以有助于头戴式显示装置100的眼球追踪(eye tracking)功能。更重要的是，由于针孔140配置于显示器110与第一透镜120之间的空间20外，因此穿过针孔140的光束L不会被第一透镜120偏折，而能良好地成像于图像提取元件150上，进而实现眼球追踪功能效果良好的头戴式显示装置100。

除此之外，利用针孔成像在本发明所述的光学应用上至少还有两大优点：其一，由于针孔140可视为一个光圈，因此可限定入光的范围。如此一来，可避免眼球10上的杂散光进入至图像提取元件150，故能使后续演算法在运算时减少光点或特征亮点的误判，造成眼球追踪错误。其二，由于光束L在进入图像提取元件150之前已经在针孔140处交叉汇聚，故利用针孔成像可增加眼球10至图像提取元件150的距离，其主要是解决某些图像提取元件焦长过长的问题，进而提高设计上的弹性及便利性。

在本实施例中，针孔140可选择性地设置在构件180上。具有针孔140的第一部分构件182可凸出于壳体160的第一表面162及侧壁166，以利于穿过针孔140的光束L传递至配置于侧壁166上的图像提取元件150中。需说明的是，上述针孔140及图像提取元件150的设置方式仅是用以举例说明本发明而非用以限制本发明，在其他实施例中，也可利用其他方式将针孔140设置于显示器110与第一透镜120之间的空间20外，并将图像提取元件150设置于能接收到穿过针孔140的光束L的其他适当位置。在本实施例中，图像提取元件150的数量对应于针孔140的数量。举例而言，若头戴式显示装置100包括多个针孔140，则多个针孔140各自对应多个图像提取元件150。在本实施中，图像提取元件150例如为电荷耦合传感器(charge-coupled device，CCD)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor；CMOS)传感器，但本发明不以此为限。

图2为本发明另一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图。请参照图2，头戴式显示装置100A与头戴式显示装置100类似，因此相同或相对应的元件以相同或相对应的标号表示。头戴式显示装置100A与头戴式显示装置100的主要差异在于：头戴式显示装置100A较头戴式显示装置100多了第二透镜190。以下主要说明此差异，两者相同或相对应处，还请参照前述说明。

请参照图2，头戴式显示装置100A至少包括显示器110、第一透镜120、光源130、针孔140及图像提取元件150。眼球10经由第一透镜120观看显示器110所呈现的多媒体图像。光源130发出光束L，以照射眼球。针孔140配置于显示器110与第一透镜120之间的空间20外。被眼球10反射的光束L穿过针孔140，以在图像提取元件150上形成图像。与头戴式显示装置100不同的是，头戴式显示装置100A还包括第二透镜190。第二透镜190配置于空间20外，且位于针孔140与图像提取元件150之间。被眼球10反射的光束L依序穿过针孔140及第二透镜190而成像于图像提取元件150上。第二透镜190可将穿过针孔140的光束L汇聚于图像提取元件150上，进而缩短针孔140与图像提取元件150之间所需的距离。换言之，通过第二透镜190的设置，头戴式显示装置100A整体的结构设计可更具弹性。

图3为本发明另一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图。图4为图3的头戴式显示装置的部分元件的侧视图。请参照图3及图4，头戴式显示装置100B与前述的头戴式显示装置100类似，因此相同或相对应的元件以相同或相对应的标号表示。头戴式显示装置100B与头戴式显示装置100的主要差异在于：头戴式显示装置100B的光源130、针孔140及图像提取元件150可均设置于固定环180上，以作为单一配件供不同头戴式显示器使用。详言之，头戴式显示装置100B的固定环180的边缘处可具有至少一第二部分构件183。第二部分构件183可与第一部分构件182形成容置空间。在本实施例中，第二部分构件183与第一部分构件182可形成一容置。所述容置空间至少可用以容纳针孔140及图像提取元件150，其中第二部分构件183的一端用以配置针孔140，而第二部分构件183的远离眼球10的另一端则可设置图像提取元件150。实作上，针孔140与第二部分构件183可以与固定环180是一体成型的结构，又或者针孔140为设置在额外的一薄片型结构(例如：图4所示的第一部分构件182也可为固定环180外的另一构件)上，所述薄片型结构可与固定环180作连接，以将容置空间大致上形成一封闭空间。可理解地，针孔140的直径是小于图像提取元件150的，然而为了在附图上便于解释其相对位置关系，故于绘制上并未依据实际的比例。此外，两者相同或相对应处，还请参照前述说明，于此便不再重述。

图5为本发明再一实施例的头戴式显示装置的部分元件示意图。请参照图5，头戴式显示装置100C与前述图4的头戴式显示装置100A类似，因此相同或相对应的元件以相同或相对应的标号表示。头戴式显示装置100C与头戴式显示装置100A的主要差异在于：头戴式显示装置100C的光源130、针孔140、图像提取元件150及第二透镜190可均设置在固定环180上，以作为单一配件供不同头戴式显示器使用。详言之，头戴式显示装置100C的固定环180至少包括设置于所述容置空间内的针孔140、图像提取元件150及第二透镜190。被眼球10反射的光束L可依序穿过针孔140及第二透镜190而于图像提取元件150上形成图像。此外，两者相同或相对应处，还请参照前述说明，于此便不再重述。

综上所述，本发明一实施例的头戴式显示装置至少包括显示器、第一透镜、光源、针孔及图像提取元件。眼球利用第一透镜观看显示器。光源发出光束，以照射眼球。针孔配置于显示器与第一透镜之间的空间外。被眼球反射的光束穿过针孔，以在图像提取元件上形成图像。

特别是，眼球的特征是利用针孔成像原理在图像提取元件上形成图像，因此不论眼球距离针孔的远近，图像提取元件均能取得相同清晰度的眼球特征图像。由此，即便因头戴式显示装置的制作公差、使用者配戴的方式或其他因素使得针孔与眼球的距离存在变异，图像提取元件均能取得足够清晰的眼球特征图像，以有助于眼球追踪功能。

更重要的是，由于针孔配置于显示器与第一透镜之间的空间外，因此穿过针孔的光束不会被第一透镜偏折，而能良好地成像于图像提取元件上，进而能实现眼球追踪效果良好的头戴式显示装置。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种头戴式显示装置，用以提供一多媒体图像，该头戴式显示装置至少包括：

显示器；

第一透镜，其可让使用者利用该第一透镜观看该显示器；

至少一光源，发出至少一光束，以照射该使用者的眼球；

至少一针孔，配置于该显示器与该第一透镜之间的一空间外；

至少一图像提取元件，其中被该眼球反射的该至少一光束穿过该至少一针孔，以在该至少一图像提取元件上形成一图像；

壳体，具有相对的第一开口及第二开口，其中该第一透镜及该显示器分别覆盖该第一开口及该第二开口，而该针孔配置于该第一透镜、该壳体及该显示器所围出的该空间外；以及

构件，与该壳体连接，其中该构件至少包括一第一部分构件，且该针孔形成于该第一部分构件上。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该壳体包括第一表面、相对于该第一表面的第二表面以及连接于该第一表面与该第二表面之间的一侧壁，该第一表面具有该第一开口，该第二表面具有该第二开口，而该针孔凸出于该壳体的该第一表面及该侧壁。

3.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中该构件为一固定环，该固定环固定于该壳体的该第一表面上且暴露该第一透镜。

4.如权利要求3所述的头戴式显示装置，其中该至少一光源配置于该固定环上。

5.如权利要求3所述的头戴式显示装置，其中该构件还包括：

第二部分构件，该第一部分构件与该第二部分构件形成一容置空间，该图像提取元件设置于该固定环的该容置空间内。

6.如权利要求5所述的头戴式显示装置，还包括：

第二透镜，设置于该固定环的该容置空间内，其中被该眼球反射的该至少一光束依序穿过该至少一针孔及该第二透镜而于该至少一图像提取元件上形成该图像。

7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该壳体包括第一表面、相对于该第一表面的第二表面以及连接于该第一表面与该第二表面之间的一侧壁，该第一表面具有该第一开口，该第二表面具有该第二开口，而该至少一图像提取元件配置于该壳体的该侧壁上。

8.如权利要求1所述的头戴式显示装置，还包括：

第二透镜，配置于该空间外且位于该至少一针孔与该至少一图像提取元件之间，其中被该眼球反射的该至少一光束依序穿过该至少一针孔及该第二透镜而于该至少一图像提取元件上形成该图像。

9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，还包括：

处理单元，与该至少一图像提取元件电连接，其中该处理单元根据该图像追踪该眼球的至少一移动轨迹。

10.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该至少一光束为一红外线。

11.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该第一透镜为一菲涅耳透镜。

12.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该针孔与该固定环是一体成型。

13.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该针孔为一薄片型结构，其可与该固定环作连接。

14.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中该至少一图像提取元件形成于该侧壁上。

15.如权利要求14所述的头戴式显示装置，还包括：

第二透镜，该第二透镜形成于该侧壁上，配置于该至少一针孔与该至少一图像提取元件之间。

16.如权利要求15所述的头戴式显示装置，其中被该眼球反射的该至少一光束依序穿过该至少一针孔、该第二透镜而于该至少一图像提取元件上形成该图像。