TWI798956B - 眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法 - Google Patents

Abstract

本揭露之一些實施例提供一種眼球追蹤裝置。眼球追蹤裝置包括一光學元件、一發射元件、一影像擷取元件。光學元件對應一眼球。光學元件包括一特徵圖樣。發射元件鄰近於光學元件設置。發射元件提供一光訊號至光學元件，以使特徵圖樣被映射至眼球。影像擷取元件鄰近於眼球設置。影像擷取元件擷取眼球之一影像。

Description

眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法

本揭露之一些實施例是有關於眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法。

隨著科技的發展，眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法之應用更加廣泛。例如，廣告商可根據消費者注視廣告之時間長短決定所要投放的廣告內容。例如，使用者可透過眼球之運動控制裝置。例如，近年來頭戴式顯示設備（head-mounted display，HMD）蔚為風潮，特別是應用虛擬實境（virtual reality，VR）技術、擴增實境（augmented reality，AR）技術等的頭戴式顯示設備。若頭戴式顯示設備能夠具備眼球追蹤功能，可進一步提升使用者體驗。

傳統的眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法透過多個發射元件（例如，光源）直接照射眼球，以產生用以識別眼球之位置的特徵圖樣。然而，多個發射元件需要設置在電路元件上，故需要佔據較大的空間。而且，可能需要具有相對大的體積的反射元件（例如，減光鏡（hot mirror））以反射眼球上的特徵圖樣。因此，傳統的眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法不利於降低成本，亦不利於頭戴式顯示設備之小型化。

本揭露之一些實施例提供一種眼球追蹤裝置。眼球追蹤裝置包括一光學元件、一發射元件、一影像擷取元件。光學元件對應一眼球。光學元件包括一特徵圖樣。發射元件鄰近於光學元件設置。發射元件可提供一光訊號至光學元件，以使特徵圖樣被映射至眼球。影像擷取元件鄰近於眼球設置。影像擷取元件可擷取眼球之一影像。

在一些實施例中，眼球追蹤裝置更包括一前殼體以及連接至前殼體的一後殼體。在一些實施例中，光學元件包括一可視區以及一周邊區，可視區相較於周邊區靠近眼球，且特徵圖樣形成於周邊區。在一些實施例中，發射元件提供之光訊號為一不可見光。在一些實施例中，發射元件提供之光訊號為一紅外線。在一些實施例中，光學元件更包括一塗層，塗層塗佈於光學元件之表面上。塗層對一可見光之一透射率介於90%至100%之間。在一些實施例中，塗層對發射元件提供之光訊號之一透射率介於0%至約10%之間。在一些實施例中，特徵圖樣包括複數個圖案。在一些實施例中，特徵圖樣透過超精加工，例如雷射剝蝕形成於光學元件。

本揭露之一些實施例提供一種眼球追蹤方法。方法包括由一發射元件產生一光訊號。光訊號可進入至包括一特徵圖樣的一光學元件，以使得特徵圖樣被映射至一眼球。方法進一步包括擷取眼球之一影像，並基於眼球上的特徵圖樣識別眼球之位置。

在本說明書中，提供許多不同的實施例或範例，並可能使用相對性的空間相關用語敘述各個構件以及排列方式的特定範例，以實施本揭露的不同特徵。例如，若本說明書敘述了第一特徵形成於第二特徵「上」，即表示可包括第一特徵與第二特徵直接接觸的實施例，亦可包括有附加特徵形成於第一特徵與第二特徵之間，而使第一特徵與第二特徵未直接接觸的實施例。相對性的空間相關用語是為了便於描述圖式中元件或特徵與其他元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用語意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可被轉向不同方位（旋轉90度或其他方位），則在此使用的相對性的空間相關用語亦可依此相同解釋。除此之外，在本揭露的不同範例中，可能使用相同或類似的符號或字母。

在本說明書中，「包括」及/或「具有」等詞為開放式詞語，因此其應被解釋為「含有但不限定為…」。因此，當本揭露的敘述中使用術語「包括」及/或「具有」時，其指定了相應的特徵、區域、步驟、操作及/或元件的存在，但不排除一個或多個相應的特徵、區域、步驟、操作及/或元件的存在。

在本說明書中，「約」、「實質上」的用語通常表示在一給定值或範圍的10%內，或5%內、或3%內、或2%內、或1%內、或0.5%內。此外，用語「範圍介於第一數值與第二數值之間」表示所述範圍包括第一數值、第二數值以及它們之間的其它數值。

請先參考第1圖以及第2圖。第1圖是眼球10與眼球追蹤裝置100之示意圖。第2圖是眼球追蹤裝置100之分解圖。為了簡化，在第1圖中僅繪示單顆眼球10。應理解的是，眼球追蹤裝置100可配合使用者之雙眼使用。

在本實施例中，眼球追蹤裝置100包括前殼體110、後殼體120、光學元件130、發射元件140、電路元件150、以及影像擷取元件160。不過，可依照實際需求增添或刪減元件。

後殼體120可連接至前殼體110。在一些實施例中，可透過諸如為螺絲的鎖固元件或膠體等固定前殼體110與後殼體120。光學元件130、發射元件140、電路元件150、影像擷取元件160可設置於前殼體110與後殼體120之間。前殼體110以及後殼體120可容納並保護光學元件130、發射元件140、電路元件150、以及影像擷取元件160等。此外，經連接的前殼體110與後殼體120可能為密封的，以防止粉塵進入前殼體110與後殼體120之內。粉塵可能因為光學元件130之光學性質而被放大，進而干擾使用者體驗。因此，前殼體110以及後殼體120通常由不會落塵的材料製成。例如，前殼體110以及後殼體120可包括塑膠材料，但不限於此。

光學元件130對應眼球10。具體地，眼球10透過光學元件130觀看顯示畫面。光學元件130可為透明的。光學元件130可為透鏡，例如，一般透鏡、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）等。光學元件130可由塑膠或玻璃製成。光學元件130由塑膠製成時重量較輕且成本較低，而光學元件130由玻璃製成時光學性質較佳。光學元件130可具有不同的形狀，例如，圓形、橢圓形、多邊形等。在一些實施例中，光學元件130之形狀取決於要搭配的頭戴式顯示設備中的光學元件之形狀。

發射元件140設置於電路元件150，且鄰近於光學元件130設置。發射元件140可提供光訊號141（或電磁輻射）至光學元件130。在第2圖中，以虛線示意性地繪示光訊號141之範圍。在一些實施例中，發射元件140提供之光訊號141為不可見光，以降低干擾使用者之可能性。在一些實施例中，發射元件140提供之光訊號141為紅外線。例如，發射元件140可為紅外線發光二極體（infrared light light emitting diode，IR-LED）。紅外線發光二極體可將電能轉換為紅外線波長範圍（約700奈米（nanometer，nm）至約1000奈米）的紅外線光訊號，且具有低發熱、低功耗等特性。紅外線發光二極體可包括砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等，但不限於此。

電路元件150設置於光學元件130的下方。電路元件150可為電路板。例如，電路元件150可為硬板、軟板（flex board）、軟硬複合板（rigid-flex board）等，但不限於此。

影像擷取元件160鄰近於眼球10設置。影像擷取元件160可擷取眼球10之影像。影像擷取元件160可為電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）或CMOS影像感測器，但不限於此。值得注意的是，在本實施例中，影像擷取元件160設置於前殼體110以及後殼體120之底側。當使用者觀看畫面時，因為影像擷取元件160相對於眼球10位於下方，可降低干擾使用者之可能性。不過，影像擷取元件160可設置於其他位置。此外，在本實施例中，發射元件140、電路元件150、影像擷取元件160設置於前殼體110以及後殼體120之同一側，可有效利用空間，並達到小型化。

光學元件130包括特徵圖樣170。在一些實施例中，特徵圖樣170可包括複數個圖案。在一些實施例中，特徵圖樣170可為複數個孔洞。發射元件140提供之光訊號141進入光學元件130之後可從特徵圖樣170射出，使得特徵圖樣170可被映射至眼球10。於一具體實施例中，特徵圖樣170之每一個圖案與發射元件140之距離不完全相同，使得被映射至眼球10的特徵圖樣170之圖案具有能量（例如，亮度）差異，以利於辨識眼球10之位置。

在一些實施例中，光學元件130可包括塗層131。塗層131可塗佈於光學元件130之表面上，包括但不限於光學元件130之前表面以及後表面。在本實施例中，特徵圖樣170即是光學元件130之前表面（靠近眼球10之一側）上未塗佈塗層131的部分。在一些實施例中，可在光學元件130上塗佈塗層131之後，透過超精加工方式，例如微量切削、高精研磨、高精拋光或雷射剝蝕（laser ablation）等的方式將特徵圖樣170形成於光學元件130之前表面上。透過前述超精加工的方式可利於控制特徵圖樣170之圖案之數量、形狀、面積、排列方式等。不過，特徵圖樣170可透過任何合適的方式形成於光學元件130。

塗層131對可見光之透射率可介於約90%至約100%之間。例如，塗層131對可見光之透射率可為約92%、約95%、約98%，但不限於此。如此一來，在可見光進入光學元件130之後，大部分的可見光可順利通過光學元件130，故可降低可見光之亮度不足之可能性，並降低干擾使用者之可能性。

又，塗層131對發射元件140提供之光訊號141之透射率可介於約0%至約10%之間。例如，塗層131對光訊號141之透射率可為約1%、約2%、約5%、約8%，但不限於此。如此一來，在光訊號141進入光學元件130之後，大部分的光訊號141可在光學元件130之內部進行一次或多次反射後從特徵圖樣170射出，故可確保特徵圖樣170之亮度足以被映射至眼球10。此外，為了使得光訊號141順利進入光學元件130，塗層131通常不會塗佈於光學元件130對應發射元件140之區域。

在特徵圖樣170被映射至眼球10之後，影像擷取元件160可擷取眼球10之影像。眼球10之影像可被傳輸至運算單元，例如，包括視覺處理晶片的影像處理單元。透過運算，可基於眼球10上的特徵圖樣170識別並判定眼球10之位置。

此外，光學元件130包括可視區132以及周邊區133。使用者觀看顯示畫面時，眼球10主要對應光學元件130之可視區132。即，可視區132相較於周邊區133靠近眼球10。在第1圖以及第2圖中，以虛線示意性地繪示可視區132之範圍。在一些實施例中，為了降低使用者見到特徵圖樣170之可能性，特徵圖樣170形成於周邊區133。

特徵圖樣170之圖案之數量、形狀、面積、排列方式等不限於第1圖以及第2圖所示的實施例。接下來，請參考第3圖至第6圖。第3圖至第6圖是具有不同特徵圖樣170A、170B、170C、170D的光學元件130之示意圖。如第3圖所示，特徵圖樣170A包括六個圖案，且每一個圖案具有圓形形狀。如第4圖所示，特徵圖樣170B包括十個圖案，且每一個圖案具有圓形形狀。如第5圖所示，特徵圖樣170C包括六個圖案，且每一個圖案具有方形形狀。如第6圖所示，特徵圖樣170D包括六個圖案，且每一個圖案具有方形形狀以及不完全相同的面積。

當特徵圖樣170所包括的圖案之個數降低，可降低成本。當特徵圖樣170所包括的圖案之個數增加、形狀不同、面積不同，可提升辨識精度。換句話說，可依照實際需求決定特徵圖樣170。

需說明的是，傳統的眼球追蹤方法是由多個發射元件直接照射眼球來產生特徵圖樣。舉例而言，當特徵圖樣包括十個圖案時，便需要十個發射元件來產生特徵圖樣。而且，傳統的眼球追蹤方法可能需要具有相對大的體積的反射元件來反射眼球上的特徵圖樣。本揭露之眼球追蹤裝置100可大幅減少發射元件140之數量，故可降低成本。在一些實施例中，對單一眼球10而言，可能僅需要單個發射元件140。又，本揭露之眼球追蹤裝置100可不需設置用以反射眼球10上的特徵圖樣的反射元件，故可降低眼球追蹤裝置100之體積，以達到小型化。

此外，在眼球追蹤裝置100之測試開發階段，在測試不同的特徵圖樣時，不需調整發射元件140以及電路元件150，僅需更換具有不同特徵圖樣（例如，特徵圖樣170、170A、170B、170C、170D）的光學元件130，可降低成本並簡化流程。然而，對傳統的眼球追蹤裝置而言，在測試不同的特徵圖樣時，必須連同電路元件更換多個發射元件，故需要較高的成本以及較長的時間。

接下來，請參考第7圖。第7圖是眼球追蹤方法200之流程圖。將配合第7圖說明眼球追蹤裝置100如何具備眼球追蹤功能。眼球追蹤方法200包括步驟S201、S202、S203、S204。在步驟S201中，由一發射元件產生一光訊號。例如，發射元件140可產生諸如為紅外線光訊號的光訊號141。在步驟S202中，光訊號進入至包括一特徵圖樣的一光學元件，使得該特徵圖樣被映射至一眼球。例如，光訊號141可進入至包括特徵圖樣170的光學元件130，且光訊號141射出特徵圖樣170之能量強度足以使得特徵圖樣170被映射至眼球10。在步驟S203中，擷取眼球之一影像。例如，影像擷取元件160可擷取眼球10之影像。在步驟S204中，基於眼球上的特徵圖樣識別眼球之位置。例如，眼球10之影像可被傳輸至運算單元，並透過運算判定眼球10之位置，亦即，基於影像中眼球與特徵圖樣之相對位置，可追蹤或判定眼球之位置以及注視方位。

於一具體實施例中，若擷取影像中之眼球之水平位置位於特徵圖樣上半部，可代表使用者朝上方看；若擷取影像中之眼球之水平位置位於特徵圖樣下半部，可代表使用者朝下方看；若擷取影像中之眼球位於特徵圖樣的所有圖案之間，可代表使用者朝前方看；若擷取影像中之眼球之位置靠近特徵圖樣某一側，可代表使用者朝該側看。

眼球追蹤裝置100以及眼球追蹤方法200可應用於不同領域。在一些實施例中，眼球追蹤裝置100以及眼球追蹤方法200可搭配頭戴式顯示設備。具備眼球追蹤功能的頭戴式顯示設備可因應於眼球10之運動而使得顯示畫面產生互動感，故可進一步提升使用者體驗。例如，可將眼球追蹤裝置100之整體設置於頭戴式顯示設備靠近眼球10之一側。

接下來，請參考第8圖至第10圖。第8圖至第10圖是具有眼球追蹤功能的頭戴式顯示設備300、400、500之示意圖，且其應用了眼球追蹤方法200。第8圖之頭戴式顯示設備300為眼鏡式，包括本體301以及連接於本體301的臂部302。第9圖之頭戴式顯示設備400為頭盔式，包括主體401以及連接於本體401的頭帶402。第10圖之頭戴式顯示設備500為眼罩式，包括殼體501。

可將特徵圖樣170直接形成於頭戴式顯示設備300、400、500中的光學元件。可將發射元件140鄰近於頭戴式顯示設備300、400、500中的光學元件設置。可將影像擷取元件160鄰近於使用者之眼球設置。以頭戴式顯示設備300為例，可將發射元件140設置於頭戴式顯示設備300之本體301，並將影像擷取元件160設置於頭戴式顯示設備300之臂部302。不過，發射元件140以及影像擷取元件160之設置位置不限於第8圖至第10圖所示的實施例。只要發射元件140提供之光訊號可進入包括特徵圖樣170的光學元件，使得特徵圖樣170可被映射至眼球，且影像擷取元件160可擷取眼球之影像即落入本揭露之範疇。

如前所述，基於本揭露，不需要透過直接照射眼球的多個發射元件來產生特徵圖樣。藉由相對少的發射元件即可產生包括複數個圖案的特徵圖樣，可大幅減少眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法所需要的發射元件之數量，故可降低成本。又，可不需設置用以反射眼球上的特徵圖樣的反射元件，故可達到小型化。不僅如此，可依照實際需求決定特徵圖樣之圖案之數量、形狀、面積、排列方式等。而且。在測試開發階段，可在低成本下以及短時間中測試不同的特徵圖樣。此外，本揭露之眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法可應用於不同領域，包括但不限於頭戴式顯示設備。

前面概述數個實施例的特徵，使得本技術領域中具有通常知識者可更好地理解本揭露的各方面。本技術領域中具有通常知識者應理解的是，可輕易地使用本揭露作為設計或修改其他製程以及結構的基礎，以實現在此介紹的實施例的相同目的或達到相同優點。本技術領域中具有通常知識者應理解的是，這樣的等同配置並不背離本揭露的精神以及範圍，且在不背離本揭露的精神以及範圍的情況下，可對本揭露進行各種改變、替換以及更改。此外，各實施例間特徵只要不違背本揭露的精神或與本揭露的精神相衝突，均可任意混合搭配使用。

10:眼球

100:眼球追蹤裝置

110:前殼體

120:後殼體

130:光學元件

131:塗層

132:可視區

133:周邊區

140:發射元件

141:光訊號

150:電路元件

160:影像擷取元件

170,170A,170B,170B,170D:特徵圖樣

200:眼球追蹤方法

S201,S202,S203,S204:步驟

300,400,500:頭戴式顯示設備

301:本體

302:臂部

401:主體

402:頭帶

501:殼體

為讓本揭露的特徵或優點能更明顯易懂，特舉出一些實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。應注意的是，各種特徵並不一定按照比例繪製。事實上，可能任意地放大或縮小各種特徵的尺寸，並可能示意性地繪製。 第1圖是眼球與眼球追蹤裝置之示意圖。 第2圖是眼球追蹤裝置之分解圖。 第3圖至第6圖是具有不同特徵圖樣的光學元件之示意圖。 第7圖是眼球追蹤方法之流程圖。 第8圖至第10圖是具有眼球追蹤功能的頭戴式顯示設備之示意圖。

100:眼球追蹤裝置

110:前殼體

120:後殼體

130:光學元件

131:塗層

132:可視區

133:周邊區

140:發射元件

141:光訊號

150:電路元件

160:影像擷取元件

170:特徵圖樣

Claims (9)

1. 一種眼球追蹤裝置，包括：一前殼體；一後殼體，連接至該前殼體；一光學元件，對應一眼球，該光學元件包括一特徵圖樣；一發射元件，鄰近於該光學元件設置，該發射元件提供一光訊號至該光學元件，以使該特徵圖樣被映射至該眼球；以及一影像擷取元件，鄰近於該眼球設置，該影像擷取元件擷取該眼球之一影像；其中該光學元件、該發射元件、該影像擷取元件設置於該前殼體以及該後殼體之間，且該發射元件以及該影像擷取元件設置於該前殼體以及該後殼體之同一側。
2. 如請求項1所述之眼球追蹤裝置，其中該光學元件包括一可視區以及一周邊區，該可視區相較於該周邊區靠近該眼球，且該特徵圖樣形成於該周邊區。
3. 如請求項1所述之眼球追蹤裝置，其中該發射元件提供之該光訊號為不可見光。
4. 如請求項1所述之眼球追蹤裝置，其中該發射元件提供之該光訊號為紅外線。
5. 如請求項1所述之眼球追蹤裝置，其中該光學元件更包括一塗層，該塗層塗佈於該光學元件之表面上，其中該塗層對可見光之一透射率介於90%至100%之間。
6. 如請求項5所述之眼球追蹤裝置，其中該塗層對該發射元件提供之該光訊號之一透射率介於0%至約10%之間。
7. 如請求項1所述之眼球追蹤裝置，其中該特徵圖樣包括複數個圖案。
8. 如請求項1所述之眼球追蹤裝置，其中該特徵圖樣透過超精加工形成於該光學元件。
9. 一種眼球追蹤方法，包括：由一發射元件產生一光訊號，該光訊號進入至包括一特徵圖樣的一光學元件，以使得該特徵圖樣被映射至一眼球；由一影像擷取元件擷取該眼球之一影像；以及基於該眼球上的該特徵圖樣識別該眼球之位置；其中該光學元件、該發射元件、該影像擷取元件設置於一前殼體以及連接至該前殼體的一後殼體之間，且該發射元件以及該影像擷取元件設置於該前殼體以及該後殼體之同一側。

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