TWI691738B

TWI691738B - 近眼顯示裝置

Info

Publication number: TWI691738B
Application number: TW108109538A
Authority: TW
Inventors: 佑和
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-04-21
Also published as: TW202036086A

Abstract

一種近眼顯示裝置，包括至少一顯示器、至少一透鏡組及至少一飛行時間相機模組。顯示器用以發出一影像光束及一測距訊號光束。透鏡組配置於影像光束與測距訊號光束的傳遞路徑上，用以將影像光束會聚於一使用者的眼睛，以使眼睛觀察到一虛像。測距訊號光束經由透鏡組照射於眼睛，並被眼睛反射至飛行時間相機模組，而飛行時間相機模組所偵測到的測距訊號光束用以分析眼睛的距離與位置。

Description

近眼顯示裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種近眼顯示裝置。

近眼顯示器（near-eye display）一般可分為虛擬實境顯示器（virtual reality display, VR display）與擴增實境顯示器（augmented reality display, AR display），其在近年來蓬勃地發展，提供了使用者不同以往的視覺體驗。

目前的虛擬實境顯示器的軟體可作到根據使用者的雙眼瞳距（inter-pupillary distance, IPD）與適眼距（eye relief）來調整影像，以顯示正確的顯示內容，但卻需要額外加裝一個獨立且完整的深度感測模組來達成。然而，額外增加一個獨立且完整的深度感測模組會增加成本。若不增加額外的深度感測模組，則影像的校正會耗費大量的時間，且需對不同的使用者作校正，甚至是對使用者配戴的不同配件（例如處方眼鏡或帽子）作校正。

此外，一些頭戴式顯示器（head mounted display, HMD）採用單一感測器作眼動追蹤（eye tracking）與接近感測（proximity detection）。然而，此單一感測器不足以偵測出準確的深度，因此無法提供雙眼瞳距與適眼距。

本發明提供一種近眼顯示裝置，其能夠在不犧牲對人眼感測的準確率的情況下降低成本。

本發明的一實施例提出一種近眼顯示裝置，包括至少一顯示器、至少一透鏡組及至少一飛行時間相機模組（time-of-flight camera module, ToF camera module）。顯示器用以發出一影像光束及一測距訊號光束。透鏡組配置於影像光束與測距訊號光束的傳遞路徑上，用以將影像光束會聚於一使用者的眼睛，以使眼睛觀察到一虛像。測距訊號光束經由透鏡組照射於眼睛，並被眼睛反射至飛行時間相機模組，而飛行時間相機模組所偵測到的測距訊號光束用以分析眼睛的距離與位置。

在本發明的實施例的近眼顯示裝置中，由於是採用提供影像的顯示器所發出的光來作為測距訊號光束，因此飛行時間相機模組不必利用額外的光源來提供測距訊號光束。如此一來，便能夠在不犧牲對人眼感測的準確率的情況下降低成本，且可以縮小近眼顯示裝置的體積。

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1A是本發明的一實施例的近眼顯示裝置的光路示意圖，圖1B是圖1A的近眼顯示裝置當眼睛位於另一位置時的光路示意圖，而圖2是圖1A的近眼顯示裝置的系統方塊圖。請參照圖1A、圖1B與圖2，本實施例的近眼顯示裝置100包括至少一顯示器110、至少一透鏡組120及至少一飛行時間相機模組130。在本實施例中，如圖2，是以分別對應於使用者的左眼與右眼的兩個顯示器110a與110b為例，而圖1A與圖1B僅示意性地繪示一個顯示器110作代表。此外，在本實施例中，是以分別對應於使用者的左眼與右眼的兩個透鏡組120為例，而圖1A與圖1B僅示意性地繪示一個透鏡組120作代表。再者，在本實施例中，如圖2，是以分別對應於使用者的左眼與右眼的兩個飛行時間相機模組130a與130b為例，而圖1A與圖1B僅示意性地繪示一個飛行時間相機模組130作代表。

顯示器110用以發出一影像光束111及一測距訊號光束113。在本實施例中，顯示器110例如是液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）、有機發光二極體顯示器（organic light-emitting diode display, OLED display）、微發光二極體顯示器（micro-LED display）或被照明系統照亮的矽基液晶面板（liquid-crystal-on-silicon panel, LCoS panel）、數位微鏡元件（digital micro-mirror device, DMD）或其他空間光調變器（spatial light modulator, SLM）。

透鏡組120配置於影像光束111與測距訊號光束113的傳遞路徑上，用以將影像光束111會聚於使用者的眼睛50，以使眼睛觀察到一虛像。透鏡組120可包括一或多個透鏡，而在本實施例中，透鏡組120是以包括一個透鏡為例。測距訊號光束113經由透鏡組120照射於眼睛50，並被眼睛50反射至飛行時間相機模組130，而飛行時間相機模組130所偵測到的測距訊號光束113用以分析眼睛50的距離與位置，也就是可以得到眼睛50在空間中的三維座標。

近眼顯示裝置100例如是頭戴式顯示器。在本實施例的近眼顯示裝置100中，由於是採用提供影像的顯示器110所發出的光來作為測距訊號光束113，因此飛行時間相機模組130不必利用額外的光源來提供測距訊號光束113。如此一來，便能夠在不犧牲對人眼感測的準確率的情況下降低成本，且可以縮小近眼顯示裝置100的體積。

在本實施例中，近眼顯示裝置100更包括同步電路（synchronizing circuit）150，用以將顯示器110與飛行時間相機模組130同步化。具體而言，近眼顯示裝置100可更包括驅動器（driver）140，電性連接至顯示器110，且用以驅動顯示器110來顯示出畫面，而同步電路150可將驅動器140的時間與飛行時間相機模組130的時間同步化。如此一來，用來決定顯示器110發出測距訊號光束113所採用的時間與飛行時間相機模組130所採用的時間便可以被同步化。

在本實施例中，測距訊號光束113可以是光脈衝，而藉由飛行時間相機模組130偵測到的光脈衝的時間延遲或相位差可計算出使用者的眼睛50與飛行時間相機模組130之間的距離。此外，飛行時間相機模組130的像素陣列的位置則代表上述距離以外的另外兩個維度的位置。如此一來，藉由飛行時間相機模組130測得眼睛50的距離與在像素陣列上的位置，便可獲得眼睛50或其瞳孔在空間中的三維座標。飛行時間相機模組130的像素可用以偵測可見光或紅外光，而顯示器110則可發出可見光或紅外光，也就是說，測距訊號光束113可以是可見光或紅外光。

在本實施例中，近眼顯示裝置100更包括至少一影像處理器160，電性連接至上述至少一飛行時間相機模組130，以處理飛行時間相機模組130所拍攝而得的影像與距離資訊。在本實施例中，如圖2所示，是以兩個影像處理器160為例，且這兩個影像處理器160分別電性連接至對應於左眼的飛行時間相機模組130a與對應於右眼的飛行時間相機模組130b。在本實施例中，影像處理器160根據飛行時間相機模組130所偵測到的測距訊號光束113計算出眼睛50的距離與位置。也就是說，藉由影像處理器160的運算可得到眼睛50或其瞳孔在空間中的三維座標。在本實施例中，對應於左眼的影像處理器160的運算可得到左眼或其瞳孔在空間中的三維座標，而對應於右眼的影像處理器160的運算可得到右眼或其瞳孔在空間中的三維座標。影像處理器160例如是影像訊號處理器（image signal processor, ISP）或圖像處理器（graphics processing unit, GPU）。

在本實施例中，近眼顯示裝置100更包括一處理器190，電性連接至上述分別對應於左眼與右眼的二個影像處理器160，且根據此二個影像處理器160所提供的左眼的距離與位置及右眼的距離與位置（例如左眼或其瞳孔的三維座標與右眼或其瞳孔的三維座標）而計算出使用者的雙眼瞳距與適眼距。其中，適眼距是指眼睛50至透鏡組120的間距。根據計算出的雙眼瞳距與適眼距，處理器190便可以調整顯示器110的顯示內容，或調整透鏡組120的焦距，以產生對應於此雙眼瞳距與適眼距的適當且清晰的虛像，而產生正確且良好的影像內容。

在本實施例中，處理器190例如為中央處理單元（central processing unit, CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、可程式化控制器、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，本發明並不加以限制。此外，在本實施例中，處理器190的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由處理器190來執行這些程式碼。

在本實施例中，顯示器110的一感興趣區域（region of interest, ROI）112發光，以形成測距訊號光束113。也就是說，顯示器110的顯示區中可有只有一部分區域發光以形成可照射至眼睛50的測距訊號光束113。然而，在其他實施例中，亦可以是顯示器110整面發光，以形成測距訊號光束113。

圖3是本發明的另一實施例的近眼顯示裝置的光路示意圖，而圖4是圖3的近間顯示裝置的系統方塊圖。請參照圖3與圖4，本實施例的近眼顯示裝置100c類似於圖1A與圖2的近眼顯示裝置100，而兩者的差異如下所述。本實施例的近眼顯示裝置100c更包括一光強度偵測器170及一同步電路180。光強度偵測器170用以偵測顯示器110的光強度，並藉此獲得測距訊號光束113的對應時間。在本實施例中，光強度偵測器170例如是一光二極體（photodiode）或其他的光偵測器。同步電路180將測距訊號光束113的對應時間與飛行時間相機模組130同步化。如此一來，飛行時間相機模組130便能夠根據測距訊號光束113的飛行時間（time of flight）來計算出眼睛50的距離。因此，在本實施例中，驅動器140與飛行時間相機模組130之間不必有如圖2之同步電路150將兩者同步化，因此顯示器110可以採用一般現成的顯示器，而不需採用整合了同步電路150的顯示器。

綜上所述，在本發明的實施例的近眼顯示裝置中，由於是採用提供影像的顯示器所發出的光來作為測距訊號光束，因此飛行時間相機模組不必利用額外的光源來提供測距訊號光束。如此一來，便能夠在不犧牲對人眼感測的準確率的情況下降低成本，且可以縮小近眼顯示裝置的體積。

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。

50:眼睛

100、100c:近眼顯示裝置

110、110a、110b:顯示器

111:影像光束

112:感興趣區域

113:測距訊號光束

120:透鏡組

130、130a、130b:飛行時間相機模組

140:驅動器

150、180:同步電路

160:影像處理器

170:光強度偵測器

190:處理器

圖1A是本發明的一實施例的近眼顯示裝置的光路示意圖。圖1B是圖1A的近眼顯示裝置當眼睛位於另一位置時的光路示意圖。圖2是圖1A的近眼顯示裝置的系統方塊圖。圖3是本發明的另一實施例的近眼顯示裝置的光路示意圖。圖4是圖3的近間顯示裝置的系統方塊圖。

50:眼睛

100:近眼顯示裝置

110:顯示器

111:影像光束

112:感興趣區域

113:測距訊號光束

120:透鏡組

130:飛行時間相機模組

Claims

一種近眼顯示裝置，包括：至少一顯示器，用以發出一影像光束及一測距訊號光束；至少一透鏡組，配置於該影像光束與該測距訊號光束的傳遞路徑上，用以將該影像光束會聚於一使用者的眼睛，以使該眼睛觀察到一虛像；至少一飛行時間相機模組，其中該測距訊號光束經由該透鏡組照射於該眼睛，並被該眼睛反射至該飛行時間相機模組，該飛行時間相機模組所偵測到的測距訊號光束用以分析該眼睛的距離與位置；一光強度偵測器，用以偵測該顯示器的光強度，並藉此獲得該測距訊號光束的對應時間；以及一同步電路，將該測距訊號光束的該對應時間與該飛行時間相機模組同步化。
一種近眼顯示裝置，包括：至少一顯示器，用以發出一影像光束及一測距訊號光束；至少一透鏡組，配置於該影像光束與該測距訊號光束的傳遞路徑上，用以將該影像光束會聚於一使用者的眼睛，以使該眼睛觀察到一虛像；至少一飛行時間相機模組，其中該測距訊號光束經由該透鏡組照射於該眼睛，並被該眼睛反射至該飛行時間相機模組，該飛行時間相機模組所偵測到的測距訊號光束用以分析該眼睛的距離與位置；以及一同步電路，用以將該顯示器與該飛行時間相機模組同步化。
如申請專利範圍第1或2項所述的近眼顯示裝置，更包括至少一影像處理器，電性連接至該至少一飛行時間相機模組，並根據該飛行時間相機模組所偵測到的測距訊號光束計算出該眼睛的距離與位置。
如申請專利範圍第3項所述的近眼顯示裝置，其中該至少一顯示器為二個顯示器，該至少一透鏡組為二個透鏡組，該至少一飛行時間相機模組為二個飛行時間相機模組，該二個顯示器所發出的二個測距訊號光束分別經由該二個透鏡組而傳遞至該使用者的左眼與右眼，並分別被該左眼與該右眼反射至該二個飛行時間相機模組，該至少一影像處理器為分別電性連接至該二個飛行時間相機模組的二個影像處理器，該近眼顯示裝置更包括一處理器，電性連接至該二個影像處理器，且根據該二個影像處理器所提供的該左眼的距離與位置及該右眼的距離與位置而計算出該使用者的雙眼瞳距與適眼距。
如申請專利範圍第1或2項所述的近眼顯示裝置，其中該顯示器的一感興趣區域發光，以形成該測距訊號光束。
如申請專利範圍第1或2項所述的近眼顯示裝置，其中該顯示器整面發光，以形成該測距訊號光束。