CN113093378A - 眼球追踪装置和头戴式显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种眼球追踪装置和头戴式显示设备。眼球追踪装置包括光波导元件、光源模块及眼球追踪模块。光波导元件具有入光面以及连接入光面的出光面。出光面具有直接制作于其上的多个微结构。光源模块设置在入光面旁且适于提供光束。光束通过入光面进入光波导元件，且光束通过所述多个微结构射出光波导元件并传递至眼球。眼球追踪模块接收光束中被眼球反射的光束，并根据被眼球反射的光束判断眼球的位置。

Description

眼球追踪装置和头戴式显示设备
技术领域
本发明涉及一种追踪装置及显示设备，尤其涉及一种眼球追踪装置及头戴式显示设备。
背景技术
为提供更高质量的影音效果，虚拟现实(Virtual Reality，VR)、扩增实境(Augmented Reality，AR)以及混合实境(Mixed Reality，MR)等技术已成为新一代显示科技的研发重点之一，而头戴式显示设备(Head Mounted Display，HMD)即是用以实现此些技术的手段之一。
一般来说，头戴式显示设备通过架设于其中的眼球追踪装置来追踪眼球位置，并根据视线方向调整显示的影像，以提高实境效果。现有的眼球追踪装置主要是利用多个反射镜来将光束反射至眼球，再根据被眼球反射的光束判断眼球的位置。然而，这样的眼球追踪装置需要较多的光学零元件，因此除了增加光学零元件的复杂性及降低制造良率之外，还增加了整个眼球追踪装置的体积及重量。由于头戴式显示设备是架设在使用者的头上，因此头戴式显示设备中的光学零元件(包括眼球追踪装置)必须轻薄化，以提升使用者配戴上的舒适度。
发明内容
本发明提供一种眼球追踪装置及头戴式显示设备，其轻薄且具较高的制造良率。
根据本发明的实施例，眼球追踪装置包括光波导元件、光源模块及眼球追踪模块。光波导元件具有入光面以及连接入光面的出光面。出光面具有直接制作于其上的多个微结构。光源模块设置在入光面旁且适于提供光束。光束通过入光面进入光波导元件，且光束通过微结构射出光波导元件并传递至眼球。眼球追踪模块接收光束中被眼球反射的光束，并根据被眼球反射的光束判断眼球的位置。
根据本发明的实施例，头戴式显示设备包括影像装置及眼球追踪装置。影像装置包括影像光波导元件及影像光源模块。影像光波导元件具有入光面以及连接入光面的出光面。影像光源模块设置在影像光波导元件的入光面旁且适于提供影像光束。眼球追踪装置包括光波导元件、光源模块及眼球追踪模块。光波导元件与影像光波导元件重叠设置。光波导元件具有入光面以及连接入光面的出光面，且光波导元件的出光面具有直接制作于其上的多个微结构。光源模块设置在光波导元件的入光面旁且适于提供光束。光束通过光波导元件的入光面进入光波导元件，且光束通过微结构射出光波导元件并传递至眼球。眼球追踪模块接收光束中被眼球反射的光束，并根据被眼球反射的光束判断眼球的位置。
基于上述，在本发明实施例的眼球追踪装置以及头戴式显示设备中，光波导元件通过直接制作于其上的多个微结构将光束导引至眼球。由于眼球追踪装置可以不用设置额外的光学元件(如背景技术所提到的多个反射镜)将光束导引至眼球，因此除了可降低光学零元件的复杂性及制造良率之外，还可减少眼球追踪装置的体积及重量。因此，本发明实施例的眼球追踪装置以及头戴式显示设备轻薄且具较高的制造良率。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的第一实施例的眼球追踪装置的示意图；
图2是根据本发明的第二实施例的眼球追踪装置的示意图；
图3是根据本发明的第三实施例的眼球追踪装置的示意图；
图4是根据本发明的第四实施例的眼球追踪装置的示意图；
图5是根据本发明的第五实施例的眼球追踪装置的示意图；
图6是根据本发明的第一实施例的头戴式显示设备的示意图；
图7是根据本发明的第二实施例的头戴式显示设备的示意图。
具体实施方式
实施方式中所提到的方向用语，例如：“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而并非用来限制本发明。在附图中，各附图示出的是特定示范实施例中所使用的方法、结构和/或材料的通常性特征。然而，这些附图不应被解释为界定或限制由这些示范实施例所涵盖的范围或性质。举例来说，为了清楚起见，各膜层、区域和/或结构的相对尺寸、厚度及位置可能缩小或放大。
在实施方式中，相同或相似的元件将采用相同或相似的标号，且将省略其赘述。此外，不同示范实施例中的特征在没有冲突的情况下可相互组合，且依本说明书或权利要求所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本申请涵盖的范围内。另外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名分立(discrete)的元件或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限，也并非用以限定元件的制造顺序或设置顺序。
图1是根据本发明的第一实施例的眼球追踪装置10的示意图。请参照图1，眼球追踪装置10包括光波导元件110、光源模块120及眼球追踪模块130。光波导元件110具有入光面SI以及连接入光面SI的出光面SO。出光面SO具有直接制作于其上的多个微结构112。光源模块120设置在入光面SI旁且适于提供光束B。光束B通过入光面SI进入光波导元件110，且光束B通过所述多个微结构112射出光波导元件110并传递至眼球190。眼球追踪模块130接收光束B中被眼球190反射的光束B1，并根据被眼球190反射的光束B1判断眼球190的位置。
详细来说，光波导元件110通过入光面SI接收光源模块120所提供的光束B，并利用全内反射(Total Internal Reflection，TIR)原理将光束B导向眼球190所在的位置处，再通过直接制作于出光面SO上的多个微结构112将光束B输出至眼球190。所述多个微结构112直接制作于出光面SO上指的是多个微结构112与出光面SO之间没有通过其他元件或膜层(如黏着层)来进行接合。举例来说，可通过射出成形(injection molding)的方式制作，也就是说多个微结构112与光波导元件110可以是一体成形且同时制作完成。或者，多个微结构112可利用诸如压印或蚀刻等方式而直接成形在出光面SO上。也就是说，可以先形成导光主体，再于导光主体的一表面上通过压印或蚀刻等方式制作多个微结构112，以形成光波导元件110。
此处，多个微结构112可包括绕射光学元件图案、全息光学元件图案或光栅图案，但不以此为限。此外，光波导元件110可为导光板。所述导光板可为玻璃板、塑料板或透明光学胶固化形成的板状结构，但不以此为限。
光波导元件110可为透光元件。如此，眼球190可接收到来自光波导元件110后方的环境的光束L。换句话说，用户可看到位于光波导元件110后方的环境影像。在此架构下，眼球追踪装置10可架构在应用于扩增实境或混合实境等技术的头戴式显示设备中。或者，光波导元件110可为不透光元件。举例来说，光波导元件110的表面S1可形成有反射层(如金属层)，以屏蔽来自光波导元件110后方的环境的光束L。换句话说，用户不会看到位于光波导元件110后方的环境影像。在此架构下，眼球追踪装置10可架构在应用于虚拟现实等技术的头戴式显示设备中。
在本实施例中，多个微结构112设置在出光面SO的一部分上。也就是说，出光面SO的另一部分上没有设置微结构112。此外，所述多个微结构112设置于出光面SO远离入光面SI的一侧上。换句话说，所述多个微结构112较靠近光波导元件110的表面S2，且较远离光波导元件110的入光面SI。然而，所述多个微结构112在出光面SO上的布置位置、布置方式、形状及尺寸等可依需求改变，而不以图1所显示的为限。举例来说，所述多个微结构112可以是光波导元件110上的凹陷或凸起。此外，每个微结构112的形状可为条状或块状，所述多个微结构112之间可以等间距或特定规则的间距的方式排列，且每个微结构112可具有相同的大小或特定规则的尺寸关系。另外，当光波导元件110的出光面SO为曲面时，微结构112的形状、大小及多个微结构112之间的间距亦可对应调整。
光源模块120可包括发光元件122及光学元件124。图1示意性示出光源模块120包括一个发光元件122及一个光学元件124，但光源模块120所包括的元件种类及各元件的数量可依需求改变，而不以图1所显示的为限。
发光元件122可以是不可见光发光元件或可见光发光元件。不可见光发光元件例如是红外光发光元件，但不以此为限。举例来说，发光元件122可包括发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)或有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)，但不以此为限。
光学元件124设置在发光元件122所发出的光束B的传递路径上且位于发光元件122与光波导元件110的入光面SI之间。光学元件124适于将光束B汇聚至光波导元件110中。举例来说，光学元件124可为凸透镜，但不以此为限。
眼球追踪模块130可包括感测模块132以及处理器134。感测模块132适于接收光束B中被眼球190反射的光束B1。举例来说，感测模块132可包括电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)或互补式金属氧化物(Complementary Metal-OxideSemiconductor)传感器。在一些实施例中，感测模块132对应微结构112而设置，以提高感测模块132的光接收率。在一些实施例中，感测模块132远离光源模块120的发光元件122设置，以避免干扰，而提高辨识率。举例来说，感测模块132可设置于表面S2旁或邻近表面S2设置。
处理器134耦接至感测模块132，以接收感测模块132所输出的与光束B1相关联的信号，并根据所述信号判断眼球190的视线信息，即处理器134根据被眼球190反射的光束B1判断眼球190的位置。举例来说，处理器134可包括微处理器(Microprocessor)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)或其他集成电路。
图2是根据本发明的第二实施例的眼球追踪装置20的示意图。请参照图2，眼球追踪装置20与图1的眼球追踪装置10的主要差异如下所述。在眼球追踪装置20中，多个微结构212连续地设置在出光面SO的边缘上。换句话说，多个微结构212围绕配置在出光面SO的边缘(周边部分)，且出光面SO的中心部分没有设置任何微结构。
图3是根据本发明的第三实施例的眼球追踪装置30的示意图。请参照图3，眼球追踪装置30与图1的眼球追踪装置10的主要差异如下所述。在眼球追踪装置30中，多个微结构312间断地设置在出光面SO的边缘上。举例来说，所述多个微结构312可为等间距或不等间距排列的多个点状微结构，但不以此为限。
图4是根据本发明的第四实施例的眼球追踪装置40的示意图。请参照图4，眼球追踪装置40与图1的眼球追踪装置10的主要差异如下所述。在眼球追踪装置40中，多个微结构412设置在整个出光面SO上。
图5是根据本发明的第五实施例的眼球追踪装置50的示意图。请参照图5，眼球追踪装置50与图4的眼球追踪装置40的主要差异如下所述。在眼球追踪装置50中，眼球追踪模块530包括感测模块532a及感测模块532b，分别耦接至处理器134。感测模块532a及感测模块532b可分别设置于光波导元件110的不同表面(如表面Sa及表面Sb)。表面Sa及表面Sb可为相对而不相邻的两个表面，但不以此为限。在另一实施例中，眼球追踪模块530可包括两个以上的感测模块。
图6是根据本发明的第一实施例的头戴式显示设备6的示意图。请参照图6，头戴式显示设备6包括影像装置600及眼球追踪装置10，其中影像装置600提供显示信息，而眼球追踪装置10进行视线追踪。举例来说，影像装置600利用可见光进行影像显示，而眼球追踪装置10利用不可见光进行视线追踪，即光源模块120包括不可见光光源，但不以此为限。关于眼球追踪装置10的描述请参照前述，于此不再重述。在其他实施例中，眼球追踪装置10可替换成图2的眼球追踪装置20、图3的眼球追踪装置30、图4的眼球追踪装置40或图5的眼球追踪装置50。
影像装置600包括影像光波导元件610及影像光源模块620。影像光源模块620适于提供影像光束Bm。举例来说，影像光源模块620可包括一个可见光光源622及一个光学元件624，但影像光源模块620所包括的元件种类及各元件的数量可依需求改变，而不以图6所显示的为限。
可见光光源622可发出可见光波段的影像光束Bm。举例来说，可见光光源622可以是液晶覆硅(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)显示器、数字光处理(Digital LightProcessing，DLP)显示器、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)显示器或其他合适的显示设备。
光学元件624设置在可见光光源622所发出的影像光束Bm的传递路径上且位于可见光光源622与影像光波导元件610之间。光学元件624适于将影像光束Bm汇聚至影像光波导元件610中。举例来说，光学元件624可为凸透镜，但不以此为限。
影像光波导元件610具有入光面SIm以及连接入光面SIm的出光面SOm。影像光源模块620设置在影像光波导元件610的入光面SIm旁，其中影像光源模块620所输出的影像光束Bm通过入光面SIm进入影像光波导元件610，且影像光束Bm通过出光面SOm而自影像光波导元件610输出并传递至眼球190。
影像光波导元件610与光波导元件110重叠设置，且影像光波导元件610与光波导元件110之间的相对位置是固定的。举例来说，影像光波导元件610与光波导元件110之间没有设置黏着层，且影像光波导元件610与光波导元件110之间通过机构卡合的方式固定，但不以此为限。
在本实施例中，影像光波导元件610位于光波导元件110与眼球190之间(例如影像光波导元件610中与出光面SOm相对的表面S2m与光波导元件110的出光面SO接触)，因此影像光波导元件610设计成允许自多个微结构112射出光波导元件110的光束(如不可见光光束)通过，使得自多个微结构112射出光波导元件110的光束能够穿透影像光波导元件610而传递至眼球190。
图6示意性示出对应于使用者的单眼(眼球190)设置的一个影像装置(影像装置600)及一个眼球追踪装置(眼球追踪装置10)。然而，在另一实施例中，头戴式显示设备6可进一步包括对应于使用者的另一眼设置的另一个影像装置及另一个眼球追踪装置。此外，两个眼球追踪装置可共享一个眼球追踪模块(包括感测模块以及处理器)或分别使用不同的眼球追踪模块。替代的，两个眼球追踪装置可分别使用不同的感测模块但共享一个处理器。此段说明在以下实施例也适用，于下便不再重述。
图7是根据本发明的第二实施例的头戴式显示设备7的示意图。请参照图7，头戴式显示设备7与图6的头戴式显示设备6的主要差异如下所述。头戴式显示设备7包括影像装置700及眼球追踪装置10。在影像装置700中，影像光波导元件710包括三个重叠设置的可见光光波导元件710R、710G、710B。可见光光波导元件710R、710G、710B与光波导元件110之间的相对位置是固定的。举例来说，可见光光波导元件710R、710G、710B与光波导元件110之间没有设置黏着层，且可见光光波导元件710R、710G、710B与光波导元件110之间可通过机构卡合的方式固定，但不以此为限。
此外，影像光源模块720包括可见光光源722R、722G、722B及光学元件724R、724G、724B。可见光光源722R、722G、722B分别提供红色光束、绿色光束及蓝色光束。光学元件724R设置在可见光光源722R所发出的红色光束的传递路径上且位于可见光光源722R与可见光光波导元件710R之间。光学元件724G设置在可见光光源722G所发出的绿色光束的传递路径上且位于可见光光源722G与可见光光波导元件710G之间。光学元件724B设置在可见光光源722B所发出的蓝色光束的传递路径上且位于可见光光源722B与可见光光波导元件710B之间。在其他实施例中，影像光波导元件710所包括的可见光光波导元件的数量、影像光源模块720所包括的可见光光源的颜色种类及可见光光源的数量可依需求改变，而不以图7所显示的为限。
综上所述，在本发明实施例的眼球追踪装置以及头戴式显示设备中，光波导元件具有直接制作于其上的多个微结构，且光波导元件通过直接制作于其上的多个微结构将光束导引至眼球，因此眼球追踪装置可以不用设置额外的光学元件(如先前技术所提到的多个反射镜)将光束导引至眼球。据此，除了可降低光学零元件的复杂性及制造良率之外，还可减少眼球追踪装置的体积及重量。是以，本发明实施例的眼球追踪装置以及头戴式显示设备轻薄且具较高的制造良率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种眼球追踪装置，其特征在于，包括：
光波导元件，具有入光面以及连接所述入光面的出光面，且所述出光面具有直接制作于其上的多个微结构；
光源模块，设置在所述入光面旁且适于提供光束，其中所述光束通过所述入光面进入所述光波导元件，且所述光束通过所述多个微结构射出所述光波导元件并传递至眼球；以及
眼球追踪模块，接收所述光束中被所述眼球反射的光束，并根据被所述眼球反射的所述光束判断所述眼球的位置。
2.根据权利要求1所述的眼球追踪装置，其特征在于，所述多个微结构包括绕射光学元件图案、全息光学元件图案或光栅图案。
3.根据权利要求1所述的眼球追踪装置，其特征在于，所述多个微结构设置于所述出光面远离所述入光面的一侧上。
4.根据权利要求1所述的眼球追踪装置，其特征在于，所述多个微结构连续地设置在所述出光面的边缘上。
5.根据权利要求4所述的眼球追踪装置，其特征在于，所述多个微结构间断地设置在所述出光面的边缘上。
6.根据权利要求1所述的眼球追踪装置，其特征在于，所述多个微结构设置在整个所述出光面上。
7.根据权利要求1所述的眼球追踪装置，其特征在于，所述眼球追踪模块包括：
至少一感测模块，接收所述光束中被所述眼球反射的光束；以及
处理器，根据被所述眼球反射的所述光束判断所述眼球的位置。
8.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：
影像装置，包括：
影像光波导元件，具有入光面以及连接所述入光面的出光面；以及
影像光源模块，设置在所述影像光波导元件的所述入光面旁且适于提供影像光束；以及
眼球追踪装置，包括：
光波导元件，与所述影像光波导元件重叠设置，其中所述光波导元件具有入光面以及连接所述入光面的出光面，且所述光波导元件的所述出光面具有直接制作于其上的多个微结构；
光源模块，设置在所述光波导元件的所述入光面旁且适于提供光束，其中所述光束通过所述光波导元件的所述入光面进入所述光波导元件，且所述光束通过所述多个微结构射出所述光波导元件并传递至眼球；以及
眼球追踪模块，接收所述光束中被所述眼球反射的光束，并根据被所述眼球反射的所述光束判断所述眼球的位置。
9.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述影像光波导元件包括一个或多个重叠设置的可见光光波导元件，所述影像光源模块包括对应于所述一个或多个重叠设置的可见光光波导元件的一个或多个可见光光源，且所述光源模块包括不可见光光源。
10.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述影像光波导元件与所述光波导元件之间没有设置黏着层。
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