TWI746370B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Abstract

頭戴式顯示裝置包括顯示器、焦距調整器以及控制器。顯示器產生顯示影像。焦距調整器設置在目標區以及顯示器間，用以依據控制信號以調整顯示影像的焦距平面的位置。控制器用以依據視覺深度資訊以產生控制信號。

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種頭戴式顯示裝置，且特別是有關於一種可提升使用者舒適度的頭戴式顯示裝置。

在自然界中，人眼觀看近物或遠物時，可使眼轉動（Vergence），透過使眼球內聚和調適作用（Accommodation）改變眼球的水晶體的屈光度，來適度的觀察近物以及遠物。

在習知技術的擴增實境的頭戴顯示裝置的光路架構中，顯示影像中的物件不論為遠物或近物時，其所設定的影像焦距平面都是相同的。所以使用者在觀看顯示影像時，只有眼球的眼轉動變化讓使用者感知影像中物件的距離，調視作用並沒有發揮作用而導致視覺輻輳調節衝突（Vergence Accommodation Conflict, VAC）的產生，進而影響使用者觀看舒適度。

本發明提供多種頭戴式顯示裝置，可提升使用者的視覺體驗的舒適度。

本發明的頭戴式顯示裝置包括顯示器、焦距調整器以及控制器。顯示器產生顯示影像。焦距調整器設置在目標區以及顯示器間，用以依據控制信號以調整顯示影像的焦距平面的位置。控制器耦接焦距調整器，用以依據視覺深度資訊以產生控制信號。

本發明的另一種頭戴式顯示裝置包括顯示器、焦距調整器、控制器以及眼球追蹤器。顯示器產生顯示影像。焦距調整器設置在目標區以及顯示器間，用以依據控制信號以調整顯示影像的焦距平面的位置。控制器耦接焦距調整器，用以依據視覺深度資訊以產生控制信號。眼球追蹤器耦接至控制器，用以檢測目標區上的使用者的視覺深度資訊。

基於上述，本發明的頭戴式顯示裝置透過焦距調整器以依據使用者的視覺深度資訊來調整顯示影像的焦距平面的位置。如此一來，顯示影像的焦距平面可以動態的依據使用者的視覺深度來調整顯示影像的焦距平面，使人眼觀看到的畫面可以與真實世界的情況相同，提升使用者的視覺感受的舒適度。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。頭戴式顯示裝置100包括遮光元件110、顯示器120、焦距調整器130、以及控制器140。遮光元件110、顯示器120以及焦距調整器130依序耦接配置，其中焦距調整器130配置在鄰近目標區TG（對應使用者眼球）的位置。顯示器120用以產生顯示影像DIMG。控制器140耦接至遮光元件110、顯示器120、以及焦距調整器130。

控制器140依據所需顯示之深度資訊DI產生控制信號CT1~CT3。控制器140傳送控制信號CT1至焦距調整器130，以使焦距調整器130可依據控制信號CT1以調整顯示影像DIMG的焦距平面的位置。在此，焦距調整器130可對應深度資訊DI來調整顯示影像DIMG的焦距平面與目標區TG間的遠近關係。其中，當使用者當時所觀察的物體的景深值相對高時，焦距調整器130可使顯示影像DIMG的焦距平面與目標區TG間具有相對大的第一距離；當使用者當時所觀察的物體的景深值相對低時，焦距調整器130可使顯示影像DIMG的焦距平面與目標區TG間具有相對小的第二距離。

在另一方面，控制器140並傳送控制信號CT2、CT3分別至遮光元件110以及顯示器120。其中，遮光元件110可依據控制信號CT2以決定是否遮蔽外界的一環境影像。當遮光元件110被開啟時，外界的環境影像被遮蔽並無法傳送至目標區TG；相對的，當遮光元件110被關閉時，外界的環境影像則可被傳送至目標區TG。顯示器120則依據控制信號CT3來產生顯示影像DIMG。顯示影像DIMG可以為虛擬實境（virtual reality, VR）或擴增實境（Augmented Reality, AR）影像，而控制器140可以透過控制信號CT3來控制顯示影像DIMG的產生時機。

請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。頭戴式顯示裝置100包括遮光元件110、顯示器120、焦距調整器130、控制器140以及眼球追蹤器150。遮光元件110、顯示器120以及焦距調整器130依序耦接配置，其中焦距調整器130配置在鄰近目標區TG（對應使用者眼球）的位置。顯示器120用以產生顯示影像DIMG。控制器140耦接至遮光元件110、顯示器120、焦距調整器130以及眼球追蹤器150。眼球追蹤器150用以針對目標區TG上的使用者的眼球狀態進行偵測，並用以檢測出使用者的眼球的視覺深度資訊DI。在此，視覺深度資訊DI表示使用者當時所觀察的物體的景深值。

控制器140接收視覺深度資訊DI，並依據視覺深度資訊DI產生控制信號CT1~CT3。控制器140傳送控制信號CT1至焦距調整器130，以使焦距調整器130可依據控制信號CT1以調整顯示影像DIMG的焦距平面的位置。在此，焦距調整器130可對應視覺深度資訊DI來調整顯示影像DIMG的焦距平面與目標區TG間的遠近關係。其中，當使用者當時所觀察的物體的景深值相對高時，焦距調整器130可使顯示影像DIMG的焦距平面與目標區TG間具有相對大的第一距離；以及當使用者當時所觀察的物體的景深值相對低時，焦距調整器130可使顯示影像DIMG的焦距平面與目標區TG間具有相對小的第二距離。

在另一方面，控制器140分別傳送控制信號CT2、CT3至遮光元件110以及顯示器120。其中，遮光元件110可依據控制信號CT2以決定是否遮蔽外界的一環境影像。當遮光元件110被開啟時，外界的環境影像被遮蔽並無法傳送至目標區TG；相對的，當遮光元件110被關閉時，外界的環境影像則可被傳送至目標區TG。顯示器120則依據控制信號CT3來產生顯示影像DIMG。顯示影像DIMG可以為虛擬實境（virtual reality, VR）或擴增實境（Augmented Reality, AR）影像，而控制器140可以透過控制信號CT3來控制顯示影像DIMG的產生時機。

關於顯示器120的實施細節，可參照圖3繪示的本發明實施例的頭戴式顯示裝置的顯示器的一實施方式的示意圖。顯示器120可以配合導光元件121來實施。其中，導光元件121與焦距調整器130耦接配置，顯示器120則可以設置在導光元件121的任一側邊。顯示器120所產生的顯示影像DIMG可投射入導光元件121。導光元件121可將顯示影像DIMG正確的傳輸至目標區上使用者眼球的可視範圍內。在本實施方式中，導光元件121可以為波導式（Waveguide）元件、自由曲面透鏡（Freeform lens）或半反射鏡（Half-Mirror）。

以下請同步參照圖2以及圖4，其中圖4繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置的動作示意圖。在圖4中，當顯示影像中具有物件OBJ1以及OBJ2，其中的物件OBJ1相對於物件OBJ2具有較深的影像深度。本發明實施例的焦距調整器130可依據控制信號CT1以對應使用者眼球EYE1、EYE2的視覺深度，來調整顯示影像的焦距平面的位置。其中，當眼球EYE1、EYE2注視物件OBJ1時，使用者眼球EYE1、EYE2具有較深的視覺深度。此時，焦距調整器130可依據控制信號CT1來調整顯示影像成像在焦距平面FP1上。相對的，當眼球EYE1、EYE2注視物件OBJ2時，使用者眼球EYE1、EYE2具有較淺的視覺深度。此時，焦距調整器130可依據控制信號CT1來調整顯示影像成像在焦距平面FP2上，其中焦距平面FP2與眼球EYE1、EYE2的距離較焦距平面FP1與眼球EYE1、EYE2的距離為近。

依據上述的說明可以得知，在本發明實施例中，當使用者注視近端的物件OBJ2時，因焦距調整器130調整顯示影像成像在相對近的焦距平面FP2上，使用者看到的物件OBJ2為清晰的影像，所看到的物件OBJ1則為模糊的影像。當使用者注視近端的物件OBJ2時，因焦距調整器130調整顯示影像成像在相對遠的焦距平面FP1上，使用者看到的物件OBJ1為清晰的影像，所看到的物件OBJ2則為模糊的影像。這樣的影像顯示效果可以與真實世界的情況相同，使用者可以獲得更佳的觀賞體驗。

請參照圖5，圖5繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。頭戴式顯示裝置400包括電控遮光元件410、顯示器420、焦距調整器430、控制器440以及眼球追蹤器450。在本實施例中，焦距調整器430由電控透鏡431所構成。電控透鏡431可依據為電氣信號的控制信號CT1以調整所提供的焦距。

在細節上，在本發明一實施例中，電控透鏡431可在沒有接收控制信號CT1時的屈光度為零，並不改變輸入影像的焦距平面，相對的，電控透鏡431可在有接收控制信號CT1時具有一非零的一固定屈光度，並改變輸入影像的焦距平面。

在本發明另一實施例中，電控透鏡431則可依據控制信號的電壓準位，來對應調整屈光度。如此一來，電控透鏡431可提供分別對應控制信號CT1不同電壓準位的多個屈光度，並據以調整輸入影像的焦距平面。

以下請同時參照圖5以及圖6，其中圖6繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置的動作時序圖。以圖5的頭戴式顯示裝置400為例，在圖6中，頭戴式顯示裝置400依據不同的時間區間（幀期）來執行動作。其中，在奇數幀中，焦距調整器430的屈光度可為零，而在偶數幀2、4、6、8中，焦距調整器430可被開啟，並分別提供不同的屈光度一、二、三及四。

另外，在奇數幀中，電控遮光元件410以及眼球追蹤器450均被關閉；在偶數幀中，電控遮光元件410以及眼球追蹤器450則均被開啟。其中，眼球追蹤器450在偶數幀中取樣眼球的狀態，並提供眼球的視覺深度資訊至控制器440，控制器440並對應產生控制信號CT1以控制焦距調整器430的屈光度。其中，屈光度一、二、三及四的大小可依據控制信號CT1的電壓準位來決定，控制器440則依據視覺深度資訊來設定控制信號CT1的電壓準位。

在另一方面，顯示器420依據控制信號CT3在奇數幀中不產生顯示影像（無輸出畫面），並在偶數幀中提供擴增實境的顯示影像（欲顯示AR畫面）。

附帶一提的，控制器440在偶數幀中提供控制信號CT2至電控遮光元件410，以遮擋因焦距調整器430而可能發生變形之外界的環境影像，避免影響使用者體驗。在奇數幀中，控制器440不提供控制信號CT2至電控遮光元件410，並使電控遮光元件410被關閉，以使外界的環境影像可以傳送至目標區TG。

請參照圖7，圖7繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。頭戴式顯示裝置600包括電控遮光元件610、顯示器620、焦距調整器630、控制器640以及眼球追蹤器650。與前述實施例不同的，本實施例的焦距調整器630包括相位延遲片（1/4波片631）、偏極透鏡組632以及電控透鏡633。相位延遲片（1/4波片）631、偏極透鏡組632以及電控透鏡633依序配置在顯示器620以及目標區TG間。偏極透鏡組632中則包括相位調節器6321、6323以及偏極透鏡6322、6324。其中，相位調節器6321、6323分別對應偏極透鏡6322、6324並相互耦接配置。在本發明實施中，相位調節器6321、偏極透鏡6322、相位調節器6323以及偏極透鏡6324依序配置在1/4波片631以及電控透鏡633間。其中，相位調節器以及偏極透鏡的數量可以是一個或也可以是多個，沒有特定的限制。

此外，1/4波片631用以改變顯示影像的光偏振特性，例如將線偏振光的顯示影像轉換為圓偏振光的顯示影像。相位調節器6321、6323用以調整入射的顯示影像的偏極特性，偏極透鏡6322、6324則依據顯示影像的旋向特性來調整其所提供的屈光度。

在細節上，當顯示影像的旋向特性為一第一旋向（右旋光）時，偏極透鏡6322、6324的屈光度調整為一正參考值（+D），其中當顯示影像的旋向特性為一第二旋向（左旋光）時，偏極透鏡6322、6324的屈光度調整為一負參考值（-D）。上述偏極透鏡6322、6324的屈光度的總和，可以提供一總屈光度，並做為調整焦距平面位置的依據。

請參照圖8，圖8繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。頭戴式顯示裝置700包括電控遮光元件710、顯示器720、焦距調整器730以及控制器740。焦距調整器730包括相位延遲片（1/4波片731）以及偏極透鏡組732。偏極透鏡組732則包括多個交互耦接配置的相位調節器7321、7323、7325以及偏極透鏡7322、7324、7326。

本發明實施例的相位調節器7321、7323、7325的每一者，均可以由多個相位調節單元所構成。多個相位調節單元可以依據控制信號CT1的多個位元獨立被控制。也就是說，單一相位調節器（以相位調節器7321為範例）的不同區域可以分別對應顯示影像的不同部分提供不同的相位偏移。因此，在本發明實施例中，針對顯示影像中具有相對深的景深的物件，相位調節器7321、7323、7325可提供相對多的相位偏移，以使對應的偏極透鏡提供相對高的屈光度；針對顯示影像中具有相對近的景深的物件，相位調節器7321、7323、7325則可提供相對少的相位偏移，以使對應的偏極透鏡提供相對低的屈光度。

關於屈光度的設定細節，可參照圖9以及圖10，圖9以及圖10繪示的本發明圖8實施例的頭戴式顯示裝置的動作示意圖。其中，在本實施例中，偏極透鏡7322、7324、7326可分別提不同的屈光度。並且，顯示畫面依據物件的景深度可切分為AR畫面區塊DIMG1以及DIMG2。AR畫面區塊DIMG1以及DIMG2均為第二旋向的圓偏振光（LCP），第一部分的相位調節器7321-1接收AR畫面區塊DIMG1，第二部分的相位調節器7321-2則接收AR畫面區塊DIMG2。基於第一部分的相位調節器7321-1被開啟第二部分的相位調節器7321-2被關閉的條件下，AR畫面區塊DIMG1維持為第二旋向的圓偏振光以被傳送至偏極透鏡7322；AR畫面區塊DIMG2則變更為第一旋向的圓偏振光（RCP）以被傳送至偏極透鏡7322。

對應為LCP的AR畫面區塊DIMG1，偏極透鏡7322對應AR畫面區塊DIMG1的區域可以提供-1D的屈光度；對應為RCP的AR畫面區塊DIMG2，偏極透鏡7322對應AR畫面區塊DIMG1的區域則可以提供+1D的屈光度。而穿透偏極透鏡7322的AR畫面區塊DIMG1變更為RCP，穿透偏極透鏡7322的AR畫面區塊DIMG2則變更為LCP。

接著，第一部分的相位調節器7323-1接收為RCP的AR畫面區塊DIMG1，第二部分的相位調節器7323-2則接收為LCP的AR畫面區塊DIMG2。基於第一部分的相位調節器7323-1被開啟第二部分的相位調節器7323-2被關閉的條件下，AR畫面區塊DIMG1維持為RCP以被傳送至偏極透鏡7324；AR畫面區塊DIMG2則變更為RCP以被傳送至偏極透鏡7324。

對應均為RCP的AR畫面區塊DIMG1以及DIMG2，偏極透鏡7324可以提供+2D的屈光度。而穿透偏極透鏡7322的AR畫面區塊DIMG1以及DIMG2均變更為LCP。

接下來，第一部分的相位調節器7325-1接收為LCP的AR畫面區塊DIMG1，第二部分的相位調節器7325-2則接收為LCP的AR畫面區塊DIMG2。基於第一部分的相位調節器7325-1被關閉第二部分的相位調節器7325-2被開啟的條件下，AR畫面區塊DIMG1變更為RCP以被傳送至偏極透鏡7326；AR畫面區塊DIMG2則維持為LCP以被傳送至偏極透鏡7326。

對應為RCP的AR畫面區塊DIMG1，偏極透鏡7326對應AR畫面區塊DIMG1的區域可以提供+4D的屈光度；對應為LCP的AR畫面區塊DIMG2，偏極透鏡7326對應AR畫面區塊DIMG1的區域則可以提供-4D的屈光度。而穿透偏極透鏡7326的AR畫面區塊DIMG1變更為LCP，穿透偏極透鏡7326的AR畫面區塊DIMG2則變更為RCP。

計算偏極透鏡7322~7326的屈光度的總和，偏極透鏡7322~7326對應AR畫面區塊DIMG1的部分提供+5D的總屈光度，對應AR畫面區塊DIMG2的部分則提供-1D的總屈光度。

附帶一提的，本實施例的偏極透鏡7322可依據顯示影像的旋向特性以調整屈光度為+1D或-1D；偏極透鏡7324可依據顯示影像的旋向特性以調整屈光度為+2D或-2D；偏極透鏡7326則可依據顯示影像的旋向特性以調整屈光度為+4D、-4D。

上述說明中，關於偏極透鏡7322~7326的屈光度調整量，以及對應的相位調節器7321、7323、7325的各部分的開啟或關閉狀態，可以在圖10中清楚的看到。

在本實施例中，透過控制相位調節器多個部位的開啟或關閉，可以使焦距調整器730的多個區域提供不同的屈光度，並針對顯示影像DIMG的多個部位設定不同的焦距平面。如此一來，頭戴式顯示裝置700可以有效的依據使用者的視覺深度，來調整顯示影像的焦距平面的位置，提升使用者的視覺舒適度，並讓使用者可以獲得更佳的觀賞體驗。

綜上所述，本發明的頭戴式顯示裝置可針對使用者的視覺深度進行偵測，並依據所獲得的視覺深度資訊來調整焦距調整器所提供的焦距平面。如此一來，人眼觀看到的顯示影像的畫面可以與真實世界的情況相同，提升使用者的視覺感受的舒適度。

100、400、600、700:頭戴式顯示裝置 110:遮光元件 120、420、620、720:顯示器 121:導光元件 130、430、630、730:焦距調整器 140、440、640、740:控制器 150、450、650:眼球追蹤器 410、610、710:電控遮光元件 431、633:電控透鏡 631、731:1/4波片 632、732:偏極透鏡組 6321、6323、7321、7323、7325:相位調節器 6322、63247322、7324、73267322、7324、7326:偏極透鏡 CT1~CT3:控制信號 DI:視覺深度資訊 DIMG:顯示影像 EYE1、EYE2:眼球 FP1、FP2:焦距平面 OBJ1、OBJ2:物件 TG:目標區

圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖2繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖3繪示的本發明實施例的頭戴式顯示裝置的顯示器的一實施方式的示意圖。 圖4繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置的動作示意圖。 圖5繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖6繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置的動作時序圖。 圖7繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖8繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖9以及圖10繪示的本發明圖8實施例的頭戴式顯示裝置的動作示意圖。

100:頭戴式顯示裝置

110:遮光元件

120:顯示器

130:焦距調整器

140:控制器

150:眼球追蹤器

CT1~CT3:控制信號

DI:視覺深度資訊

DIMG:顯示影像

TG:目標區

Claims (13)

1. 一種頭戴式顯示裝置，包括：一顯示器，產生一顯示影像，其中該顯示影像具有對應不同影像深度的一第一物件以及一第二物件；一焦距調整器，設置在一目標區以及該顯示器間，用以依據一控制信號以調整該顯示影像的一焦距平面的位置，以使該焦距平面的位置與該第一物件重疊且遠離該第二物件；以及一控制器，耦接該焦距調整器，用以依據一視覺深度資訊以產生該控制信號。
2. 一種頭戴式顯示裝置，包括：一顯示器，產生一顯示影像，其中該顯示影像具有對應不同影像深度的一第一物件以及一第二物件；一焦距調整器，設置在一目標區以及該顯示器間，用以依據一控制信號以調整該顯示影像的一焦距平面的位置，以使該焦距平面的位置與該第一物件重疊且遠離該第二物件；一控制器，耦接該焦距調整器，用以依據一視覺深度資訊以產生該控制信號；以及一眼球追蹤器，耦接至該控制器，用以檢測該目標區上的一使用者的視覺深度資訊。
3. 如請求項2所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一導光元件，耦接至該顯示器，以傳導該顯示影像至該目標區。
4. 如請求項2所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一遮光元件，與該顯示器耦接設置，用以決定是否遮蔽一環境影像。
5. 如請求項4所述的頭戴式顯示裝置，其中該焦距調整器包括：一電控透鏡，耦接至該控制器，依據為電氣信號的該控制信號以改變該焦距平面。
6. 如請求項5所述的頭戴式顯示裝置，其中該電控透鏡依據該控制信號的電壓值來調整該焦距平面。
7. 如請求項5所述的頭戴式顯示裝置，其中該遮光元件以及該焦距調整器在多個第一時間區間被開關，該眼球追蹤器在多個第二時間區間啟動以檢測該視覺深度資訊，該電控透鏡並在該些第二時間區間被啟動以依據對應的視覺深度資訊來調整所提供的焦距，各該第一時間區間與各該第二時間區間交錯排列且不相重疊；該焦距調整器亦可根據使用者需求，在調整焦距同時做視力矯正，以看清楚環境影像。
8. 如請求項5所述的頭戴式顯示裝置，其中該電控透鏡被啟動時，該遮光元件啟動以遮蔽該環境影像，該顯示器在該些第二時間區間啟動以產生該顯示畫面，在該些第一時間區間停止產生該顯示畫面。
9. 如請求項5所述的頭戴式顯示裝置，其中該焦距調整器包括： 一相位延遲片，設置在該顯示器以及該電控透鏡間，用以改變該顯示影像的光偏振特性；以及一偏極透鏡組，設置在該相位延遲片以及該電控透鏡間，用以改變該顯示影像的該焦距平面。
10. 如請求項9所述的頭戴式顯示裝置，其中該偏極透鏡組包括：至少一相位調節器，依據該控制信號以調整該顯示影像的一旋向特性；以及至少一偏極透鏡，依據該顯示影像的該旋向特性來調整該至少一偏極透鏡的屈光度，其中該至少一相位調節器以及該至少一偏極透鏡依序配置在該相位延遲片以及該電控透鏡間。
11. 如請求項10所述的頭戴式顯示裝置，其中當該顯示影像的該旋向特性為一第一旋向時，該至少一偏極透鏡的屈光度調整為一正參考值，其中當該顯示影像的該旋向特性為一第二旋向時，該至少一偏極透鏡的屈光度調整為一負參考值，其中該第一旋向與該第二旋向相反。
12. 如請求項11所述的頭戴式顯示裝置，其中該至少一相位調節器由多個相位調節單元所構成，該些相位調節單元依據該控制信號以調整該顯示影像由一第一旋向為相反的一第二旋向，或調整該顯示影像由該第二旋向為該第一旋向。
13. 如請求項12所述的頭戴式顯示裝置，其中該些相位調節單元可分別依據該控制信號的多個位元獨立被控制。

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