TW201814356A

TW201814356A - 頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法

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Publication number: TW201814356A
Application number: TW105131881A
Authority: TW
Inventors: 張郁旼; 郭維凌
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2018-04-16

Abstract

一種頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法。此頭戴顯示裝置包括一鏡片與至少一顯示螢幕，使用者的視線透過鏡片觀看顯示螢幕。所述方法包括下列步驟。追蹤使用者的眼球，而獲取瞳孔的位移資訊。依據位移資訊調整鏡片於參考平面上的平面位置。依據調整後的平面位置取得理想對焦位置，並判斷理想對焦位置與鏡片的當前對焦位置是否相符。若理想對焦位置與鏡片的當前位置不相符，依據理想對焦位置調整鏡片與眼球之間的距離。

Description

頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法

本發明是有關於一種頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法，且特別是有關於一種基於使用者注視位置調整鏡片的頭戴顯示裝置與鏡片位置調整方法。

隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望，虛擬實境（virtual reality）的技術已漸趨成熟，其中頭戴式顯示器（head mounted display, HMD）則是用以實現此技術的顯示器。近年來，隨著微型顯示器中的解析度越來越高，尺寸功耗越來越小，頭戴式顯示器亦發展成為一種攜帶式（portable）顯示裝置。除了在軍事領域外，其他諸如工業生產、模擬訓練、立體顯示、醫療、運動、導航和電子遊戲等相關領域，頭戴式顯示器的顯示技術亦皆有所成長而佔據了重要的地位。

一般而言，頭戴式顯示器通常會使用近眼顯示光學系統（Near Eye Display, NED）來產生影像。由於近眼顯示光學系統僅離人眼幾公分的距離，且由於頭戴式顯示器需穿戴在頭上，因此如何於頭戴式顯示器中設置重量輕、厚度薄、尺寸短的光學系統變成進行設計上的必要考量。此外，對於傳統的頭戴式顯示器而言，鏡片的位置早已依據顯示螢幕的一預定區域與眼球之間的距離而固定設置，好讓使用者可以透過鏡片的折射而清楚觀看近距離的顯示螢幕。上述的預定區域通常是顯示螢幕的中央。然而，因應於顯示效果或其他考量，頭戴顯示器之顯示螢幕的擺放方式與種類也衍生出各不同的設計。因此，使用者眼球相距於顯示螢幕上各個顯示位置的距離可能是不一致的，而導致使用者可能會因為注視畫面的邊緣而觀賞到模糊的畫面。

有鑑於此，本發明提供一種頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法，其可隨眼球之注視位置來動態調整鏡片的位置，致使使用者可利用頭戴顯示器裝置觀賞到清晰的影像。

本發明提出一種頭戴顯示裝置的鏡片位置調整方法。此頭戴顯示裝置包括一鏡片與至少一顯示螢幕，使用者的視線透過鏡片觀看顯示螢幕。所述方法包括下列步驟。追蹤使用者的眼球，而獲取眼球的位移資訊。依據位移資訊調整鏡片於參考平面上的平面位置。依據調整後的平面位置取得理想對焦位置，並判斷理想對焦位置與鏡片的當前對焦位置是否相符。若理想對焦位置與鏡片的當前位置不相符，並依據理想對焦位置調整鏡片與眼球之間的距離。

從另一觀點來看，本發明提出一種頭戴顯示裝置，其包括至少一顯示螢幕、至少一鏡片、鏡片調整機構、儲存單元，以及一或多個處理器。所述鏡片調整機構連接上述鏡片，而儲存單元儲存有多個指令。所述處理器耦接鏡片調整機構與儲存單元，用以執行該些指令以：追蹤使用者的眼球，而獲取眼球的位移資訊；依據位移資訊控制鏡片調整機構調整鏡片於參考平面上的平面位置；依據調整後的平面位置取得理想對焦位置，並判斷理想對焦位置與鏡片的當前對焦位置是否相符；以及該理想對焦位置與鏡片的當前位置不相符，並依據理想對焦位置控制鏡片調整機構調整鏡片與眼球之間的距離。

基於上述，透過偵測使用者之眼球的移動資訊，本發明之頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法會依據動態調整鏡片於一參考平面上的位置，並將鏡片移動至對應至調整後之平面位置的理想焦距位置。如此一來，當使用者使用頭戴顯示裝置時，可讓使用者透過鏡片而觀賞的清晰的顯示畫面。

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。

為了避免使用者使用頭戴顯示裝置時觀看到模糊不清的畫面，本發明係透過先偵測眼球的位置，再基於眼球的移動狀態來調整鏡片的對焦位置，好讓使用者可以透過鏡片而觀賞到清晰的面。為了使本發明之內容更為明瞭，以下列舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。

圖1是依照本發明一實施例所繪示之頭戴顯示裝置的示意圖。圖2是依照本發明一實施例所繪示之頭戴顯示裝置的方塊圖。請同時參照圖1與圖2，頭戴顯示裝置100適於配戴於使用者的頭部，其包括穿戴件110與主體120。在本實施例中，主體120是由殼體121包覆各式元件而組成。上述元件可包括有至少一顯示螢幕210、至少一鏡片220、鏡片調整機構230、儲存單元240，以及一或多個處理器（以下以處理器250進行說明）。

顯示螢幕210例如是液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、發光二極體（Light-Emitting Diode，LED）顯示器或其他種類的顯示器，本發明並不限制於此。

鏡片220可以是由一或多片透鏡組成，本發明對此不限制。使用者的視線透過鏡片220觀看顯示螢幕210。透過鏡片220的折射，使用者可以清楚的觀賞近距離的顯示螢幕210。鏡片220例如是由凸透鏡、雙凸透鏡、平凸透鏡或其他種類透鏡，本發明對此不限制。一般而言，頭戴顯示裝置包括分別對應至左眼與右眼的兩組鏡片220。鏡片220連接鏡片調整機構230，鏡片調整機構230用以改變鏡片220的位置。鏡片調整機構230例如可包括步進馬達，以將鏡片220往遠離或靠近顯示螢幕210的方向推動。另外，於本實施例中，鏡片調整機構230更可以控制鏡片220往使用者的上下左右方向移動。

儲存單元240例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）、唯讀記憶體（Read-Only Memory，ROM）、快閃記憶體（Flash memory）或其他類似裝置或這些裝置的組合，而用以記錄可由處理器250執行的多個指令，這些指令可載入處理器250。

處理器250例如是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device，PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合。處理器250係耦接至顯示螢幕210、鏡片調整機構230以及儲存單元240，而可存取並執行記錄在儲存單元240中的指令。

當使用者將頭戴顯示裝置100穿戴於頭部時，使用者的雙眼剛好可直視鏡片220，而使用者的視線可穿透鏡片220而官看到至於鏡片220後方的顯示螢幕210。需說明的是，對於上述顯示螢幕210的配置，本發明還根據使用者或業者的不同需求，提供多種不同的實施方式。舉例而言，顯示螢幕210可以是由一片平面式的顯示模組組成，或者顯示螢幕210可以是由一片曲面式的顯示模組組成。又或者，顯示螢幕210可以是由兩片顯示模組平行擺放而組成，或者顯示螢幕210可以是由兩片顯示模組以特定角度擺放而組成。

圖3是依照本發明一實施例所繪示之鏡片位置調整方法的方法流程圖。請參照圖3，本實施例的方式適用於上述實施例中的頭戴顯示裝置100，以下即搭配頭戴顯示裝置100中的各項元件說明本實施例依據眼球的移動狀態調整鏡片位置的詳細步驟。

首先，於步驟S310，處理器250追蹤使用者的眼球，而獲取瞳孔的位移資訊。具體而言，處理器250可以透過眼球追蹤技術而得知瞳孔的移動方向與的移動量。在眼球與顯示螢幕210的相對位置是固定的條件下，藉由分析瞳孔的位移資訊，處理單元250可分析出使用者注視於顯示螢幕上的位置。

於步驟S320，處理器250依據位移資訊調整鏡片於參考平面上的平面位置。詳細來說，對於視場(field of view, FOV)具有一定限制的鏡片220而言，倘若顯示螢幕210的顯示範圍較大，則使用者可能無法透過晶片220觀賞到螢幕邊緣的畫面或者是觀賞到不清晰的邊緣畫面。於是，於本實施例中，當處理器250依據瞳孔位移資訊而偵測到眼球注視顯示螢幕210的邊緣時，處理器250可依據位移資訊取得鏡片220於參考平面上的新平面位置，並控制鏡片調整機構230向上、向下、向左或向右移動鏡片220至新平面位置。上述參考平面與鏡片220的光軸垂直。

於步驟S330，處理器250依據調整後的平面位置取得理想對焦位置，並判斷理想對焦位置與鏡片的當前對焦位置是否相符。詳細來說，由於鏡片220已經移動至調整後的平面位置，且處理器250也可依據瞳孔的位移資訊得知使用者的注視位置。因此，處理器250可依據調整後的平面位置估測出使用者的觀看位置與眼球之間的距離，並依據眼球與觀看位置之間的距離取得理想對焦位置。處理器250例如可透過查表或函數計算的方式來取得理想對焦位置。基此，處理器250可據以判斷鏡片220的當前對焦位置與理想對焦位置是否相符。

接著，若理想對焦位置與鏡片220的當前位置相符，處理器250回到步驟S310而繼續追蹤眼球的移動狀態。相反的，若理想對焦位置與鏡片的當前位置不相符，於步驟S340，處理器250依據理想對焦位置調整鏡片與眼球之間的距離。如此一來，即便眼球與顯示螢幕210之距離並非固定值，但本發明之頭戴顯示裝置100可依據使用者注視的位置動態調整鏡片220的位置，以避免使用者利用無法確實對焦的對焦距離來觀看顯示螢幕210。

圖4是依照本發明一實施例所繪示之頭戴顯示裝置的方塊圖。頭戴顯示裝置400適於配戴於使用者的頭部，包括有至少一顯示螢幕410、至少一鏡片420、鏡片調整機構430、儲存單元440，以及一或多個處理器（以下以處理器450進行說明）。上述元件的功能與耦接關係與圖2所示之顯示螢幕210、至少一鏡片220、鏡片調整機構230、儲存單元240，以及處理器250相似，於此不再贅述。

與圖1不同的是，頭戴顯示裝置400更包括一影像感測器460。影像感測器460耦接處理器450，例如是可為互補式金屬氧化物半導體(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)影像感測器。影像感測器460適於朝使用者的眼球擷取影像。如此，處理器450可透過影像分析技術來追蹤使用者的眼球。

圖5是依照本發明一實施例所繪示之鏡片位置調整方法的方法流程圖。請參照圖5，本實施例的方式適用於上述實施例中的頭戴顯示裝置400，以下即搭配頭戴顯示裝置400中的各項元件說明本實施例依據眼球的移動狀態調整鏡片位置的詳細步驟。

於步驟S501，處理器450利用影像感測器460擷取眼球觀看顯示螢幕410時的影像。因此，處理器450可獲取紀錄使用者眼球的眼球影像。處理器450可利用邊緣偵測、顏色分析等影像處理技術而擷取出眼球的瞳孔，並取得瞳孔於眼球影像中的位置。於步驟S502，處理器450根據眼球的瞳孔於影像中的位置，取得瞳孔偏移參考基準點的平面位移量與平面位移方向。上述的參考基準點可以是使用者穿戴頭戴顯示裝置400且直視前方時，眼球影像中瞳孔的中心點位置。基於平面位移量的大小，處理器450可以判斷使用者的注視位置是否移動至顯示螢幕410的四周或邊緣位置。基於平面位移方向的方向性，處理器450可以判斷使用者的注視位置往哪個方位移動。

於步驟S503，處理器450判斷瞳孔偏移參考基準點的平面位移量是否大於門檻值。倘若瞳孔偏移參考基準點的平面位移量不大於門檻值（步驟S503判斷為否），代表使用者的視線已經還是注視顯示螢幕410的中央區域，因此回到步驟S501而繼續追蹤使用者的眼球。倘若瞳孔偏移參考基準點的平面位移量大於門檻值（步驟S503判斷為是），代表使用者的視線已經不是注視顯示螢幕410的中央區域。

於是，於步驟S504，處理器450依據平面位移量決定鏡片於參考平面上的平面調整量，並依據平面位移方向決定鏡片於參考平面上的平面位移方向。詳細而言，處理器450例如可利用查表或者是函數計算的方式而依據平面位移量決定平面調整量。於一實施例中，平面位移方向與平面位移方向相同，但本發明並不限制於此。於步驟S505，處理器450依據平面調整方向與平面調整量控制鏡片調整機構430調整鏡片於參考平面上的平面位置。換言之，鏡片420將隨著瞳孔的移動而對應移動。舉例而言，當使用者往顯示螢幕420的左上方觀看時，鏡片420也將往左上方移動至新的平面位置。

此時，於步驟S506，處理器450依據平面調整量與平面調整方向取得理想對焦位置。詳細而言，於本實施例中，處理器450可依據平面調整量與平面調整方向來進行查表而取得理想對焦位置。以下表1的查詢表為例，當處理器450判斷鏡片420需要向左移動0.75cm以內時，對應的理想對焦位置為P1。當處理器450判斷鏡片420需要向左移動0.75cm~1cm時，對應的理想對焦位置為P2。相似的，當處理器450判斷鏡片420需要向右移動1cm~1.5cm時，對應的理想對焦位置為P7。然而，表1僅為示範性說明，並非用以限定本發明。表1

之後，於步驟S507，處理器450判斷理想對焦位置所對應的與鏡片的當前對焦位置之間的差距是否小於另一門檻值。若理想對焦位置與該鏡片的當前對焦位置之間的差距小於另一門檻值，處理器450判定理想對焦位置與鏡片的當前對焦位置相符。因此，若步驟S507判斷為是，回到步驟S501繼續追蹤使用者的眼球。若理想對焦位置與鏡片的該當前對焦位置之間的差距不小於該另一門檻值，判定該理想對焦位置與該鏡片的當前對焦位置不相符。因此，若步驟S507判斷為否，接續步驟S508。於步驟S508，處理器450依據理想對焦位置控制鏡片調整機構430調整鏡片與眼球之間的距離。如此一來，當使用者穿戴頭戴顯示裝置400時，無論使用者注視顯示螢幕的那一個位置，鏡片420都可以據以調整到最適當的對焦位置，好讓使用者全程都可以觀賞的清晰的畫面。

圖6A與圖6B是依照本發明一實施例所繪示之調整鏡片位置的示意圖。請參照圖6A，於本實施例中，顯示螢幕包410括第一邊緣611與相對於第一邊緣611的第二邊緣612，眼球60距離第一邊緣611的距離d1小於眼球60距離第二邊緣612的距離d2。當使用者的正視前方而觀賞位於顯示螢幕410中央的顯示物件63時，因為本發明的頭戴顯示裝置偵測到瞳孔位於預設位置，因此鏡片420對應的被控制而處於一預設位置。請再參照圖6B，當使用者的視線往左而觀賞位於顯示螢幕410左邊緣的顯示物件66時，若鏡片420仍然處於圖6A的位置上時，受限於鏡片420的視場大小，且顯示物件66與眼球60的距離與顯示物件63與眼球60的距離相異，則使用者可能觀賞到模糊不清的畫面。

於本發明的實施例中，藉由偵側到瞳孔64往使用者的左方向D2移動，本實施例的處理器450可控制鏡片調節機構430先將鏡片420往使用者的左方向D2移動。此外，為了正確對焦，本實施例的處理器450更控制鏡片420往方向D1移動。換言之，當眼球60的瞳孔64為往第一邊緣611靠近的方向時，因為第一邊緣611距離眼球的距離較短，處理器450依據理想對焦位置控制鏡片調整機構430驅動鏡片420靠近眼球60。雖然未繪示於圖中，但本領域技術人員可依據前述說明而得知，當眼球60的瞳孔64為往第二邊緣612靠近的方向時，處理器450依據理想對焦位置控制鏡片調整機構430驅動鏡片420遠離眼球60。

綜上所述，本發明之頭戴顯示裝置與其鏡片位置調整方法藉由偵測使用者之眼球的移動資訊來調整鏡片的位置，以符合使用者的最佳視覺感受，可解決因顯示螢幕的各顯示位置與眼球距離不一致而導致固定式鏡片無法正確對焦的問題。如此一來，當使用者注視不同的顯示位置時，不會因為顯示位置與眼球之間的物距改變而觀賞到模糊的畫面。

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。

100、400‧‧‧頭戴顯示裝置
110‧‧‧穿戴件
120‧‧‧主體
121‧‧‧殼體
210、410‧‧‧顯示螢幕
220、420‧‧‧鏡片
230、430‧‧‧鏡片調整機構
240、440‧‧‧儲存單元
250、450‧‧‧處理器
460‧‧‧影像感測器
611‧‧‧第一邊緣
612‧‧‧第二邊緣
63、66‧‧‧顯示物件
60‧‧‧眼球
64‧‧‧瞳孔
D1、D2‧‧‧方向
S310～S340‧‧‧步驟
S501～S508‧‧‧步驟

圖1是依照本發明一實施例所繪示之頭戴顯示裝置的示意圖。圖2是依照本發明一實施例所繪示之頭戴顯示裝置的方塊圖。圖3是依照本發明一實施例所繪示之鏡片位置調整方法的方法流程圖。圖4是依照本發明一實施例所繪示之頭戴顯示裝置的方塊圖。圖5是依照本發明一實施例所繪示之鏡片位置調整方法的方法流程圖。圖6A與6B是依照本發明一實施例所繪示之調整鏡片位置的示意圖。

Claims

一種頭戴顯示裝置的鏡片位置調整方法，該頭戴顯示裝置包括一鏡片與至少一顯示螢幕，而一使用者的視線透過該鏡片觀看該顯示螢幕，所述方法包括：追蹤該使用者的一眼球，而獲取一瞳孔的一位移資訊；依據該位移資訊調整該鏡片於一參考平面上的一平面位置；依據調整後的該平面位置取得一理想對焦位置，並判斷該理想對焦位置與該鏡片的當前對焦位置是否相符；以及若該理想對焦位置與該鏡片的該當前位置不相符，並依據該理想對焦位置調整該鏡片與該眼球之間的距離。
如申請專利範圍第1項所述的鏡片位置調整方法，其中追蹤該使用者的該眼球，而獲取該眼球的該位移資訊的步驟包括：利用一影像感測器擷取該眼球觀看該顯示螢幕時的一影像；以及根據該眼球的瞳孔於該影像中的位置，取得該瞳孔偏移一參考基準點的一平面位移量與一平面位移方向。
如申請專利範圍第2項所述的鏡片位置調整方法，其中依據該位移資訊調整該鏡片於該參考平面上的該平面位置的步驟包括：判斷該瞳孔偏移該參考基準點的該平面位移量是否大於一門檻值；若該平面位移量是否大於該門檻值，依據該平面位移量決定該鏡片於該參考平面上的一平面調整量，並依據平面位移方向決定鏡片於該參考平面上的一平面調整方向；以及依據該平面調整方向與該平面調整量調整該鏡片於該參考平面上的該平面位置。
如申請專利範圍第3項所述的鏡片位置調整方法，其中依據調整後的該平面位置取得該理想對焦位置，並判斷該理想對焦位置與該鏡片的當前對焦位置是否相符的步驟包括：依據該平面調整量與該平面調整方向取得該理想對焦位置；判斷該理想對焦位置所對應的與該鏡片的該當前對焦位置之間的差距是否小於另一門檻值；若該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置之間的差距小於該另一門檻值，判定該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置相符；以及若該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置之間的差距不小於該另一門檻值，判定該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置不相符。
如申請專利範圍第1項所述的鏡片位置調整方法，其中該顯示螢幕包括一第一邊緣與相對於該第一邊緣的一第二邊緣，該眼球距離該第一邊緣的距離小於該眼球距離該第二邊緣的距離，其中若該理想對焦位置與該鏡片的該當前位置不相符，依據該理想對焦位置調整該鏡片與該眼球之間的距離的步驟包括：當該眼球的瞳孔為往第一邊緣靠近的方向時，依據該理想對焦位置控制該鏡片靠近該眼球；以及當該眼球的瞳孔為往第二邊緣靠近的方向時，依據該理想對焦位置控制該鏡片遠離該眼球。
一種頭戴顯示裝置，包括：至少一顯示螢幕；至少一鏡片；一鏡片調整機構，連接該鏡片；一儲存單元，儲存有多個指令；一或多個處理器，耦接該鏡片調整機構與該儲存單元，用以執行該些指令以：追蹤一使用者的一眼球，而獲取一瞳孔的一位移資訊；依據該位移資訊控制該鏡片調整機構調整該鏡片於一參考平面上的一平面位置；依據調整後的該平面位置取得一理想對焦位置，並判斷該理想對焦位置與該鏡片的當前對焦位置是否相符；以及若該理想對焦位置與該鏡片的該當前位置不相符，依據該理想對焦位置控制該鏡片調整機構調整該鏡片與該眼球之間的距離。
如申請專利範圍第6項所述的頭戴顯示裝置，其中該頭戴顯示裝置更包括一影像感測器，且所述處理器用以執行該些指令以：利用該影像感測器擷取該眼球觀看該顯示螢幕時的一影像；以及根據該眼球的該瞳孔於該影像中的位置，取得該瞳孔偏移一參考基準點的一平面位移量與一平面位移方向。
如申請專利範圍第7項所述的頭戴顯示裝置，其中所述處理器用以執行該些指令以：判斷該瞳孔偏移該參考基準點的該平面位移量是否大於一門檻值；若該平面位移量是否大於該門檻值，依據該平面位移量決定該鏡片於該參考平面上的一平面調整量，並依據平面位移方向決定鏡片於該參考平面上的一平面調整方向；以及依據該平面調整方向與該平面調整量調整該鏡片於該參考平面上的該平面位置。
如申請專利範圍第8項所述的頭戴顯示裝置，其中所述處理器用以執行該些指令以：依據該平面調整量與該平面調整方向取得該理想對焦位置；判斷該理想對焦位置所對應的與該鏡片的該當前對焦位置之間的差距是否小於另一門檻值；若該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置之間的差距小於該另一門檻值，判定該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置相符；以及若該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置之間的差距不小於該另一門檻值，判定該理想對焦位置與該鏡片的該當前對焦位置不相符。
如申請專利範圍第6項所述的頭戴顯示裝置，其中該顯示螢幕包括一第一邊緣與相對於該第一邊緣的一第二邊緣，該眼球距離該第一邊緣的距離小於該眼球距離該第二邊緣的距離，其中所述處理器用以執行該些指令以：當該眼球的瞳孔為往第一邊緣靠近的方向時，依據該理想對焦位置控制該鏡片調整機構驅動該鏡片靠近該眼球；以及當該眼球的瞳孔為往第二邊緣靠近的方向時，依據該理想對焦位置控制該鏡片調整機構驅動該鏡片遠離該眼球。