CN111665932A - 头戴式显示装置以及其眼球追踪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种头戴式显示装置以及其眼球追踪装置。眼球追踪装置包括第一波导元件、电控偏光器、第一偏光器以及摄像装置。电控偏光器在第一时间区间，依据控制信号以在摄像装置、电控偏光器以及目标区间提供第一光路径。电控偏光器在第二时间区间依据控制信号以在摄像装置、第一波导元件、第一偏光器以及目标区间提供第二光路径。摄像装置通过第一光路径以及第二光路径以分别提取目标区的第一影像以及第二影像。

Description

头戴式显示装置以及其眼球追踪装置
技术领域
本发明涉及一种头戴式显示装置以及眼球追踪装置，且特别是涉及一种具单一摄像装置的眼球追踪装置。
背景技术
信息保密在商业、金融上是非常重要的，特别是在信息经常在云端分享的现代。在信息保密中，虹膜识别(Iris recognition)无疑是最高信用的保密技术，虹膜识别的基础是通过一个相机与近红外光照射眼球，并通过提取眼球的二维虹膜影像，并经处理后作为加密信息。然而，在现今的技术领域中，最常遇到的问题就是如何防伪。目前辨认真假眼球的方法有硬件跟软件的改进方法，硬件的方式是通过增加更多的相机以提取更多眼球信息，造成硬件成本增加。软件的方式则是增加更多的演算法，但软件的方法有人工处理的疑虑，并被视为是一种间接辨认的方式，可信度不高。
发明内容
本发明提供一种头戴式显示装置以及眼球追踪装置，可有效重建三维的虹膜影像。
本发明的眼球追踪装置包括第一波导元件、电控偏光器、第一偏光器以及摄像装置。电控偏光器设置在第一波导元件的第一端，目标区位于电控偏光器的第一侧边的外侧。第一偏光器设置在第一波导元件的第二端。摄像装置位于电控偏光器的第二侧边的外侧，第一侧边与第二侧边不相同。电控偏光器在第一时间区间，依据控制信号以在摄像装置、电控偏光器以及目标区间提供第一光路径。电控偏光器在第二时间区间依据控制信号以在摄像装置、第一波导元件、第一偏光器以及目标区间提供第二光路径。摄像装置通过第一光路径以及第二光路径以分别提取目标区的第一影像以及第二影像。
本发明的头戴式显示装置包括主体部以及如上所述的眼球追踪装置。眼球追踪装置设置在主体部中。
基于上述，本发明的眼球追踪装置通过设置单一摄像装置，配合波导元件，以及电控偏光器所可产生的多个光路径，以通过多个不同角度来对目标区的度进行影像提取动作。并通过所获得的多个影像来进行三维影像重建动作，以执行目标区的眼球追踪动作。
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眼球追踪装置的示意图；
图2为本发明另一实施例的眼球追踪装置的示意图；
图3A为本发明另一实施例的眼球追踪装置的示意图；
图3B为本发明图3A实施例的眼球追踪装置的延伸实施方式的示意图；
图4A以及图4B为本发明另一实施例的眼球追踪装置的示意图；
图5为本发明实施例的摄像装置所提取的影像的示意图；
图6为本发明一实施例的头戴式显示装置的示意图。
符号说明
100、200、300、400、620：眼球追踪装置
110、210、311、312、313、314、411、412、413：波导元件
120、220、321、421、441：电控偏光器
130、331、332、333、334、431、432、433：偏光器
131、231、3311、3321、350、3331、3341、4311、4321、4331、451、452、453：透镜
140、240、340、440：摄像装置
270：处理器
600：头戴式显示装置
610：主体部
LP1、LP2：光路径
LS：光源
S1、S11、S21、S31、S41：第一端
S2、S12、S22、S32、S42：第二端
TG：目标区
EYE：物件
IMG：完整影像
SIMG1～SIMG4：部分影像
A1、A2：侧边
具体实施方式
请参照图1，图1绘示本发明一实施例的眼球追踪装置的示意图。眼球追踪装置100包括波导元件110、电控偏光器120、偏光器130、透镜131、摄像装置140以及光源LS。在本实施例中，波导元件110具有弧形结构。电控偏光器120设置在波导元件110的第一端S1上，偏光器130则设置在波导元件110的第二端S2上，其中，第一端S1与第二端S2为不相同的两端。此外，目标区TG位于电控偏光器120的第一侧边A1的外侧，且摄像装置140位于电控偏光器120的第二侧边A2的外侧，其中第一侧边A1与第二侧边A2不同。在本实施例中，目标区TG为使用者眼睛的所在位置。透镜131设置在偏光器130与目标区TG间，透镜131与偏光器130构成一成像装置。
在此请注意，电控偏光器120为可调变偏光器(modulated beam splitter,MBS)，电控偏光器120可接收为电气信号的一控制信号，并依据控制信号的电压值大小，以被组态为透光元件或反射元件。在本实施例中，电控偏光器120可在第一时间区间中，依据控制信号以被组态为透光元件。在此同时，摄像装置140、电控偏光器120以及目标区TG间可形成一第一光路径LP1。摄像装置140则可通过第一光路径以对目标区上的物件(例如使用者的眼球)进行一第一影像的提取动作。
在另一方面，电控偏光器120可在第二时间区间中，依据控制信号以被组态为反射元件。在此同时，摄像装置140、电控偏光器120、波导元件110、偏光器130以及目标区TG间可提供一第二光路径LP2。摄像装置140则可通过第二光路径LP2以对目标区上的物件(使用者的眼球)进行一第二影像的提取动作。
在本实施例中，第一影像与第二影像，是分别通过不同角度以针对使用者的眼球所提取的影像。也因此第一影像与第二影像可提供以作为三维影像重建动作的信息，并由此获得眼球的三维影像。通过眼球的三维影像，可以建立包括眼球深度、位置、眼皮大小以及三维的虹膜特征的模型，并可执行安全认证动作。
另外，在本实施例中，光源LS用以发射光线至目标区TG，并使使用者的眼球上可产生反射的光点。如此一来，摄像装置140所提取的第一影像以及第二影像中，可为具有反射的光点的影像。通过第一影像以及第二影像中的反射光点的影像，可以判断眼球的移动状态，并执行眼球的追踪动作。在本实施例中，光源LS可以为一红外线光源，摄像装置140则为可拍摄红外线影像的照相机。在此，光源LS的位置没有特定的限制，只需可有效的发送光线至目标区即可。
在此请注意，上述说明的第一时间区间以及第二时间区间没有顺序上的限制。在本实施例中，第一时间区间以及第二时间区间可以连续或不连续的发生。另外，电控偏光器120可应用本领域具通常知识者所熟知的可调变偏光器(MBS)来实施，没有特别的限制。
请参照图2，图2绘示本发明另一实施例的眼球追踪装置的示意图。眼球追踪装置200包括波导元件210、电控偏光器220、偏光器230、透镜231、摄像装置240、处理器270以及光源LS。与图1实施例不相同的，在本实施例中，摄像装置240并耦接至处理器270。处理器270接收摄像装置240所产生的第一影像以及第二影像，并依据第一影像以及第二影像以进行三维影像重建动作，并产生目标区TG的三维影像。
在硬件结构上，处理器270可以为具运算能力的处理器芯片。或者处理器270可以是通过硬件描述语言(Hardware Description Language,HDL)或是其他任意本领域具通常知识者所熟知的数字电路的设计方式来进行设计，并通过现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)、复杂可编程逻辑装置(Complex Programmable LogicDevice,CPLD)或是特殊应用集成电路(Application-specific Integrated Circuit,ASIC)的方式来实现的硬件电路。
以下请参照图3A，图3A绘示本发明另一实施例的眼球追踪装置的示意图。眼球追踪装置300包括波导元件311、312、电控偏光器321、偏光器331、332、摄像装置340以及透镜3311、3321及350。在本实施例中，波导元件311、312设置在相同的平面上，例如为三维坐标系统的x-z平面。波导元件311、312的第一端S11、S21相邻，波导元件311、312的第一端S11、S21间，并设置电控偏光器321。波导元件311、312的第二端S12、S22上分别设置偏光器331、332。眼球追踪装置300的目标区具有物件EYE(例如为眼球)，透镜3311设置在偏光器331与物件EYE间；透镜3321设置在偏光器332与物件EYE间；透镜350则设置在电控偏光器321与物件EYE间。
在动作方面，电控偏光器321可在第一时间区间被组态为透光元件，并使摄像装置340可通过电控偏光器321、透镜350以及物件EYE间的第一光路径以获得物件EYE的第一影像。电控偏光器321可在第二时间区间被组态为反射元件，并使摄像装置340、电控偏光器321、波导元件311、偏光器331、透镜3311以及物件EYE间形成一第二光路径。摄像装置340可通过第二光路径以获得物件EYE的第二影像。并且，电控偏光器321可在第三时间区间被组态为反射元件，并使摄像装置340、电控偏光器321、波导元件312、偏光器332、透镜3321以及物件EYE间形成一第三光路径。摄像装置340可通过第三光路径以获得物件EYE的第三影像。
在本发明实施例中，上述的第一影像、第二影像以及第三影像可以提供以作为三维影像重建动作的信息，并用于建立物件EYE的三维影像。
接着请参照图3B，图3B绘示本发明图3A实施例的眼球追踪装置的延伸实施方式的示意图。在图3B中，眼球追踪装置300还包括波导元件313、314、偏光器333、334以及透镜3331、3341。波导元件313、314设置在另一平面上，例如为三维坐标系统的y-z平面。图3A的波导元件311、312所在的平面(例如为第一平面)与波导元件313、314所在的平面(例如为第二平面)不互相重叠也不互相平行，并相交于一直线(例如为z轴)。
波导元件313、314的第一端S31、S41相邻，波导元件313、314的第一端S31、S41间设置电控偏光器321。波导元件313、314的第二端S32、S42上分别设置偏光器333、334。眼球追踪装置300的目标区具有物件EYE(例如为眼球)，透镜3331设置在偏光器333与物件EYE间；透镜3341设置在偏光器334与物件EYE间。
在动作细节方面，承续图3A的动作细节，电控偏光器321并可在第四时间区间被组态为反射元件，并使摄像装置340、电控偏光器321、波导元件313、偏光器333、透镜3331以及物件EYE间形成一第四光路径。摄像装置340可通过第四光路径以获得物件EYE的第四影像。并且，电控偏光器321可在第五时间区间被组态为反射元件，并使摄像装置340、电控偏光器321、波导元件314、偏光器334、透镜3341以及物件EYE间形成一第五光路径。摄像装置340可通过第五光路径以获得物件EYE的第五影像。
在图3A以及图3B的实施例中，电控偏光器321为一多通道式电控偏光器，并可依据不同电压的控制信号，以调整光线的行进方向。
本发明图3A、图3B的实施例可通过多个波导元件311～314，以使单一摄像装置340可提取物件EYE的多个不同角度的影像，并用于建立更为精确的三维影像。而关于本发明实施例的影像提取动作中，上述的第一光路径至第五光路径可以分时被产生，以提取到物件EYE的多个不同角度的影像。
以下请参照图4A以及图4B，图4A以及图4B绘示本发明另一实施例的眼球追踪装置的示意图。在图4A中，眼球追踪装置400包括波导元件411、412、电控偏光器421、偏光器431、432、摄像装置440以及透镜4311、4321及451。在本实施例中，波导元件411、412设置在相同的平面上，例如为三维坐标系统的x-z平面。波导元件411、412的第一端S11、S21相邻，波导元件411、412的第一端S11、S21间设置电控偏光器421。波导元件411、412的第二端S12、S22上分别设置偏光器431、432。眼球追踪装置400的目标区具有物件EYE(例如为眼球)，透镜4311设置在偏光器431与物件EYE间；透镜4321设置在偏光器432与物件EYE间；透镜451则设置在电控偏光器421与物件EYE间。
在动作方面，通过电控偏光器421的光线偏移动作，摄像装置440可通过透镜451提取物件EYE的一第一影像，通过波导元件411、偏光器431以及透镜4311以提取物件EYE的一第二影像，以及通过波导元件412、偏光器432以及透镜4321以提取物件EYE的一第三影像。
此外，在图4B中，眼球追踪装置400还包括波导元件413、偏光器433、透镜4331以及电控偏光器441。其中波导元件413的第一端S31邻近电控偏光器441以进行设置。偏光器433设置在波导元件413的第二端S32上。透镜4331设置在偏光器433与目标区的物件EYE间，电控偏光器441与物EYE间另设置透镜452、453。在图4B中，波导元件413设置在三维坐标系统的y-z平面上。
对应图4A的绘示，图4B中的电控偏光器441以及图4A中的电控偏光器421可以为相同构件，但具有不同的视角。并且，透镜453与透镜451则可以为相同的构件。电控偏光器421、441为多通道式电控偏光器。
在本实施例中，电控偏光器441可作为透光元件，或作为反射元件以将来自于波导元件411、412、413其中之一的光线传送至摄像装置440中。在图4B中，在第四时间区间中，摄像装置440可通过与电控偏光器441、波导元件413、偏光器433、透镜4331以及物件EYE间所形成第四光路径来进行物件EYE的影像提取动作，并获得一第四影像。
在本实施例中，通过电控偏光器421以及441的动作，摄像装置440可同时通过第一光路径至第四光路径来获取第一影像至第四影像。在本实施例中，第一影像至第四影像可以分别为物件EYE的四个不同区域的部分影像。依据第一影像至第四影像，可建立更为精确的三维影像。
请参照图5，图5绘示本发明实施例的摄像装置所提取的影像的示意图。在图4A、图4B的实施例中，摄像装置440所提取的第一影像至第四影像，可以分别为物件EYE的四个完整影像。或者，在本发明实施例中，摄像装置440所提取的第一影像至第四影像可如图5绘示的为物件EYE的完整影像IMG中的四个部分影像SIMG1～SIMG4。眼球追踪装置并可依据部分影像SIMG1～SIMG4来重建出物件EYE的三维影像。
图5中，关于部分影像SIMG1～SIMG4在完整影像IMG中的位置关系仅只是一个范例，部分影像SIMG1～SIMG4在完整影像IMG中的位置关系可以依据波导元件与物件间位置关系来决定，没有一定的限制。
以下请参照图6，图6绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的示意图。头戴式显示装置600包括主体部610、眼球追踪装置620以及显示器630。眼球追踪装置620以及显示器630均设置在主体部610中。眼球追踪装置620相对于目标区TG，并用以侦测目标区TG上的使用者眼球的位置信息。眼球追踪装置620可应用如图1、2、3A、3B、4A、4B所示的眼球追踪装置100、200、300或400来实施。并且，通过眼球追踪装置620所产生的多个眼球的影像，可有效建立出使用者眼球的三维立体影像，并可获得使用者眼球的虹膜信息，以应用于安全认证。
综上所述，本发明通过一个或多个的导光元件，以使单一摄像装置可提取目标区物件的多个角度的影像，并用于进行三维影像的重建动作，有效获得眼球的三维影像信息。
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 (13)

1.一种眼球追踪装置，其特征在于，包括：
第一波导元件；
电控偏光器，设置在该第一波导元件的第一端，其中目标区位于该电控偏光器的第一侧边的外侧；
第一偏光器，设置在该第一波导元件的第二端；
摄像装置，位于该电控偏光器的第二侧边的外侧，该第一侧边与该第二侧边不相同，
其中，该电控偏光器在第一时间区间，依据控制信号以在该摄像装置、该电控偏光器以及该目标区间提供第一光路径，该电控偏光器在第二时间区间依据该控制信号以在该摄像装置、该第一波导元件、该第一偏光器以及该目标区间提供第二光路径；其中该摄像装置通过该第一光路径以及该第二光路径以分别提取该目标区的第一影像以及第二影像。
2.如权利要求1所述的眼球追踪装置，其中该电控偏光器在该第一时间区间依据该控制信号以为透光元件，并形成该第一光路径；该电控偏光器在该第二时间区间依据该控制信号以为反射元件，并形成该第二光路径。
3.如权利要求1所述的眼球追踪装置，还包括：
处理器，接收该第一影像以及该第二影像，依据该第一影像以及该第二影像以进行三维影像重建动作，并产生该目标区的三维影像。
4.如权利要求1所述的眼球追踪装置，还包括：
第二波导元件，与该第一波导元件设置在相同的第一平面上，该电控偏光器设置在该第二波导元件的第一端；以及
第二偏光器，设置在该第二波导元件的第二端，
其中，该电控偏光器在第三时间区间依据该控制信号以在摄像装置、该第二波导元件、该第二偏光器以及该目标区间提供第三光路径，该摄像装置并通过该第三光路径以提取该目标区的第三影像。
5.如权利要求4所述的眼球追踪装置，还包括：
第三波导元件，其中该第三波导元件的第一端与该电控偏光器相邻配置；以及
第三偏光器，设置在该第三波导元件的第二端。
6.如权利要求5所述的眼球追踪装置，其中该电控偏光器在第四时间区间依据该控制信号以在该摄像装置、该第三波导元件、该第三偏光器以及该目标区间提供第四光路径，该摄像装置并通过该第四光路径以提取该目标区的第四影像。
7.如权利要求6所述的眼球追踪装置，其中该第一影像至该第四影像为该目标区的不同角度的多个部分影像。
8.如权利要求6所述的眼球追踪装置，其中该第一时间区间至该第四时间区间可以相互重叠或者两两不相重叠。
9.如权利要求6所述的眼球追踪装置，还包括：
第四波导元件，其中该第四波导元件的第一端与该电控偏光器相邻配置，并与该第三波导元件设置在相同的第二平面上；以及
第四偏光器，设置在该第四波导元件的第二端；
其中，该电控偏光器在第五时间区间依据该控制信号以在该摄像装置、该第四波导元件、该第四偏光器以及该目标区间提供第五光路径，该摄像装置并通过该第五光路径以提取该目标区的第五影像。
10.如权利要求9所述的眼球追踪装置，其中该第一平面与该第二平面相交于一直线。
11.如权利要求9所述的眼球追踪装置，其中该电控偏光器为多通道式电控偏光器。
12.如权利要求1所述的眼球追踪装置，还包括：
第一透镜，设置在该第一偏光器与该目标区间；以及
第二透镜，设置在该电控偏光器与该目标区间。
13.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：
主体部；以及
如权利要求1所述的眼球追踪装置，设置在该主体部中。
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