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CN112946895B - 头戴式显示装置 - Google Patents

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CN112946895B
CN112946895B CN202110141682.8A CN202110141682A CN112946895B CN 112946895 B CN112946895 B CN 112946895B CN 202110141682 A CN202110141682 A CN 202110141682A CN 112946895 B CN112946895 B CN 112946895B
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Abstract

本发明提供一种头戴式显示装置，包括一眼动追踪模块、一可调焦成像模块以及一影像产生模块。眼动追踪模块用以侦测一使用者的眼球运动，以获取一眼动追踪信息。可调焦成像模块包括重叠配置的多个成像层。每一这些成像层包括一液晶层以及一线性反射偏振片。影像产生模块用以接收影像信号，而产生一偏振影像光束至可调焦成像模块。影像产生模块根据眼动追踪信息决定这些成像层其中之一为一反射状态，而其他的这些成像层为一透射状态，以将偏振影像光束经由反射状态的成像层反射至观看位置。

Description

头戴式显示装置
技术领域
本发明关于一种显示装置，特别是关于一种应用于虚拟现实(Virtual Reality，VR)的头戴式显示装置(Head-Mounted Display)。
背景技术
随着科技的进步，传统平面式的显示装置已无法满足一般消费者。为了提供使用者更具有现实感与立体感的视觉娱乐，虚拟现实成为目前显示技术的新潮流。虚拟现实的原理为建置一虚空间，而在此虚空间中的每个虚拟物体都有设定与使用者的特定距离。
目前较常被广泛使用的是头戴式的虚拟现实显示装置，例如虚拟现实眼镜。虚拟现实眼镜会分别显示带有视角差的不同影像到使用者的左眼与右眼中。通过让两眼视线相交以观看单一物体方式，能够让使用者产生立体感。
一般来说，在注视物体时，人眼会自动根据头部移动和两眼视线夹角判定物体距离。然后，眼睛会进而以眼部肌肉来调整水晶体焦距，且此动作会随时不断地进行。然而，在使用虚拟现实眼镜时，因眼睛须改变的焦距量，搭配上光学元件的焦距，以及虚拟物体的改变距离并不相同的缘故，眼部肌肉相当容易疲劳。如此一来，将会造成使用者明显的不舒适感，而无法获得良好的使用者体验。
发明内容
本发明提供一种头戴式显示装置，能够减缓使用者观看时眼部肌肉疲劳的问题。
本发明提供一种头戴式显示装置，适于连接一外部电子装置，以自外部电子装置接收一影像信号并进行显示。头戴式显示装置包括一眼动追踪(Eye Tracking)模块、一可调焦成像模块以及一影像产生模块。眼动追踪模块用以侦测一使用者的眼球运动，以获取一眼动追踪信息。可调焦成像模块包括重叠配置的多个成像层。每一这些成像层包括一液晶层以及一线性反射偏振片，线性反射偏振片相对液晶层远离一观看位置。影像产生模块电性连接眼动追踪模块以及可调焦成像模块。影像产生模块用以接收影像信号，而产生一偏振影像光束至可调焦成像模块。影像产生模块根据眼动追踪信息决定这些成像层其中之一为一反射状态，而其他的这些成像层为一透射状态，以将偏振影像光束经由反射状态的成像层反射至观看位置。
在本发明的一实施例中，可调焦成像模块根据这些成像层的液晶层是否通电，来调整这些成像层为反射状态或透射状态。
在本发明的一实施例中，这些液晶层分别为一扭曲向列(Twisted Nematic，TN)型，这些成像层的相邻的液晶层之间夹有对应各液晶层的多个电极。在反射状态下，成像层的液晶层未通电；以及在透射状态下，成像层的液晶层受对应的这些电极施加电压而通电。
在本发明的一实施例中，这些液晶层分别为一垂直配向(Vertical Alignment，VA)型或一水平配向(Horizontal Alignment，HA)型，这些成像层的相邻的液晶层之间夹有对应各液晶层的多个电极。在反射状态下，成像层的液晶层受对应的这些电极施加电压而通电；以及在透射状态下，成像层的液晶层未通电。
在本发明的一实施例中，每一这些成像层的液晶层区分成多个区块，这些成像层的相邻的液晶层之间夹有对应每一这些区块的多个电极，以对每一这些区块分别施加电压而通电或不通电，以根据眼动追踪信息决定这些区块的其中之一为反射状态。
在本发明的一实施例中，在反射状态下，成像层的液晶层的液晶排列方向改变，使偏振影像光束的光轴偏转，而由线性反射偏振片反射光轴偏转后的偏振影像光束。
在本发明的一实施例中，头戴式显示装置更包括一分光镜，设置于影像产生模块与可调焦成像模块之间，分光镜将偏振影像光束反射至可调焦成像模块，并让经由可调焦成像模块反射的偏振影像光束通过。
在本发明的一实施例中，眼动追踪模块为一红外线眼动追踪模块，而头戴式显示装置更包括一热镜，设置于眼动追踪模块与观看位置之间，热镜反射眼动追踪模块所产生的一红外线至观看位置。
在本发明的一实施例中，头戴式显示装置更包括一线性偏振片，设置于影像产生模块与可调焦成像模块之间，影像产生模块产生一自然光影像光束，自然光影像光束通过线性偏振片而输出偏振影像光束。
在本发明的一实施例中，每一这些成像层的具有不同的曲率，且每一这些成像层的曲率分别对应自观看位置的不同焦距所设定。
基于上述，上述实施例的头戴式显示装置的每个成像层具有不同的曲率，且能够在反射状态与透射状态之间转换。因此，头戴式显示装置可获得不同焦距值，达到变焦之目的，进而减缓使用者眼部肌肉疲劳。
底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明之目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1绘示为本发明一实施例的头戴式显示装置的方块图；
图2绘示为图1的头戴式显示装置的光学配置的示意图；
图3绘示为图2的头戴式显示装置进行眼动追踪的光路示意图；
图4绘示为图2的头戴式显示装置进行影像成像的光路示意图；
图5绘示为本发明另一实施例的头戴式显示装置的光学配置的示意图；以及
图6绘示为本发明又一实施例的头戴式显示装置的光学配置的示意图。
附图标记：
50 外部电子装置
60 眼球
100、200、300 头戴式显示装置
110 眼动追踪模块
120、320 可调焦成像模块
122、322 成像层
122A、322A 液晶层
122B 线性反射偏振片
130、230 影像产生模块
140 热镜
150 分光镜
B1、B2、B3 区块
E 眼动追踪信息
I 影像
Ir1～Ir4 红外线
L1～L5 偏振影像光束
L1’ 自然光影像光束
具体实施方式
以下提出实施例并配合图式进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限制本发明权利要求的范围。为了方便理解，以下实施例以相同或相似的符号表示相同或相似的元件做说明。在可能实施的前提下，本技术领域技术人员可选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地将这些实施例中部分或全部的技术特征加以组合。应当理解，除非另有定义，使用的所有技术用语与所属领域技术人员所理解的具有相同含义。但是，当部分用语在实施例中有加以说明或定义时，该部分用语的解释以各实施例的说明或定义为准。此外，实施例中所提到的方向用语，例如：“前”或“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等，仅是参考所附图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明亦非用来限制本发明。应当理解，在实施例中的描述和其后的所有权利要求中，所使用的“及/或”包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。
图1绘示为本发明一实施例的头戴式显示装置的方块图。请先参考图1，头戴式显示装置100适于连接一外部电子装置50，以自外部电子装置50接收一影像信号并显示。举例来说，头戴式显示装置100可设有一连接器(未绘示)或一无线传输模块(未绘示)，以与外部电子装置50相连接。具体而言，连接器可支持一通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)或一高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)规格，但不以此为限。无线传输模块则可支持一无线网络(Wi-Fi)或一蓝牙(Bluetooth)通信协议，但亦不以此为限。在本实施例中，外部电子装置50例如为一手机、平板或一。头戴式显示装置100可为一虚拟现实眼镜，供一使用者配戴，使得使用者的一眼球60位于一观看位置。
头戴式显示装置100包括一眼动追踪模块110、一可调焦成像模块120以及一影像产生模块130。眼动追踪模块110用以侦测眼球60的眼球运动，以获取一眼动追踪信息E。举例来说，眼动追踪模块110能够测量眼球60的注视点的位置或者眼球60相对使用者头部(未绘示)的运动而实现对眼球运动的追踪。藉此，眼动追踪模块110能够根据眼动追踪信息E，来侦测眼球60是否看到清晰影像。
影像产生模块130电性连接于外部电子装置50、眼动追踪模块110以及可调焦成像模块120之间。影像产生模块130根据影像信号产生一偏振影像光束至可调焦成像模块120，再由可调焦成像模块120输出一影像I到眼球60上。
图2绘示为图1的头戴式显示装置的光学配置的示意图。请配合参考图1与图2，以下将说明头戴式显示装置100的光学配置。可调焦成像模块120包括重叠配置的多个成像层122。图中绘示五层的成像层122，但可根据焦距调整需求增加或减少层数。每一这些成像层122具有不同的曲率，且可分别对应自观看位置的不同焦距所设定，以调整不同的焦距。每一这些成像层122包括一液晶层122A以及一线性反射偏振片122B，线性反射偏振片122B相对液晶层122A远离眼球60所在的观看位置。在本实施例中，可调焦成像模块120根据这些成像层的液晶层122A是否通电，来调整这些成像层122为一反射状态或一透射状态。举例来说，这些液晶层122A分别为一扭曲向列型。在反射状态下，成像层122的液晶层122A未通电。在透射状态下，成像层122的液晶层122A通电。
值得一提的是，成像层122以液晶作为夹层(液晶层122A)，以线性反射偏振片122B作为反射层。并且，成像层122于相邻的液晶层122A间夹有对应各液晶层的多个透明电极(未绘示)，可以对液晶层122A施加电压。通过对液晶层122A施加电压，即可令液晶层122A的液晶排列方向改变，而于普通介质状态(即，透射状态)和半波片状态(即，反射状态)之间切换。在另一未绘示的实施例中，这些液晶层122A亦可分别为一垂直配向型或一水平配向型。在反射状态下，成像层122的液晶层122A通电。在透射状态下，成像层122的液晶层122A未通电。
除了眼动追踪模块110、可调焦成像模块120以及影像产生模块130之外，头戴式显示装置100还可包括一热镜140以及一分光镜150等光学元件。热镜140设置于眼动追踪模块110与观看位置(图中眼球60所在的位置)之间。分光镜150设置于影像产生模块130与可调焦成像模块120之间。虽然头戴式显示装置100的光学配置举例如上，但本领域技术人员可根据需求调整光学配置，并不以此为限。
图3绘示为图2的头戴式显示装置进行眼动追踪的光路示意图。请参考图3，在本实施例中，眼动追踪模块110可为一红外线眼动追踪模块，但亦可采用其他光学或非光学方式来实现。本领域技术人员可以了解，本实施例的眼动追踪模块110可由一红外线光源(未绘示)以及一红外线影像传感器(未绘示)等现有技术元件所构成，在此不再赘述。首先，眼动追踪模块110的红外线光源发出一红外线Ir1至热镜140。接着，热镜140反射红外线Ir2至观看位置上的眼球60。之后，眼球60反射红外线Ir3至热镜140。热镜140再反射红外线Ir4至眼动追踪模块110的红外线影像传感器，而获得眼动追踪信息E(如图2所示)。如此一来，眼动追踪模块110即可实现对眼球60的运动追踪。
图4绘示为图2的头戴式显示装置进行影像成像的光路示意图。请参考图4，在影像产生模块130接收到外部电子装置50(如图1所示)的影像信号之后，产生一偏振影像光束L1至分光镜150。分光镜150为一半穿透半反射镜。同时，影像产生模块130的一控制器(未绘示)根据眼动追踪信息E(如图2所示)判断眼球60所适合的焦距，进而决定这些成像层122其中之一为反射状态，而其他的这些成像层122为透射状态。在图4中，假定位于中间(由上或下数来第三层)的成像层122为反射状态，此成像层122的液晶层122A未通电，而成为半波片状态。其他成像层122的液晶层122A则通电，而成为普通介质状态。
接者，偏振影像光束L2可直接穿过未成为半波片状态的液晶层122A以及线性反射偏振片122B(下方两层成像层122)，而进入成为半波片状态的液晶层122A。当偏振影像光束L2通过成为半波片状态的液晶层122A时，偏振影像光束L2即会产生光轴偏转。光轴偏转后的偏振影像光束L3由线性反射偏振片122B反射再进入成为半波片状态的液晶层122A。因此，偏振影像光束L3相当于通过半波片两次，所以可通过其余未成为半波片的液晶层122A和线性反射偏振片122B(下方两层成像层122)而进入分光镜150。然后，通过分光镜150的偏振影像光束L4再进入热镜140。由于热镜140可允许可见光通过，但反射红外线。因此，偏振影像光束L4即可通过热镜140，而从热镜140输出偏振影像光束L5至观看位置的眼球60中。
值得一提的是，由于每个成像层122具有不同的曲率，且能够在反射状态与透射状态之间转换。因此，可调焦成像模块120能够对液晶层122A施加电压，即可选择不同曲率的反射层进行反射，而获得不同焦距值，达到变焦的目的。也就是说，头戴式显示装置100能够利用眼动追踪模块110以视线追踪判定使用者注视的物体，再通过可调焦成像模块120调整光路焦距修正，而能够减缓使用者眼部肌肉疲劳。
图5绘示为本发明另一实施例的头戴式显示装置的方块图。请参考图4与图5，相较于头戴式显示装置100，头戴式显示装置200更包括一线性偏振片260，设置于影像产生模块230与可调焦成像模块120之间。影像产生模块130是直接输出偏振状态的偏振影像光束L1，本实施例的影像产生模块230则是产生一自然光影像光束L1’。自然光影像光束L1’通过线性偏振片260而输出偏振影像光束L1。为了让说明更加简洁，上述仅说明本实施例与图4差异处，类似元件则用相同或类似标号标示，其功能与作动相似处亦不再赘述。
图6绘示为本发明又一实施例的头戴式显示装置的光学配置的示意图。请参考图4与图6，在头戴式显示装置100中，可调焦成像模块120每一这些成像层122是通过对整层液晶层122A通电或不通电的方式来调整为反射状态或透射状态。在头戴式显示装置300中，可调焦成像模块320每一这些成像层322的液晶层322A则可区分成多个区块B1、B2、B3，以对每一这些区块B1、B2、B3分别通电或不通电。也就是说，头戴式显示装置300可将透明电极(未绘示)与液晶层322A分割为多个范围。如此一来，可于显示影像时视需求于不同区域输入不同电信号以分割画面焦距范围，能够更弹性运用，且进一步减缓。以根据眼动追踪信息决定这些区块的其中之一为反射状态使用者眼部肌肉疲劳。
举例来说，可将液晶层322A中间的区块B2成为半波片状态(反射状态)，而其余两个区块B1、B3为普通介质状态(透射状态)，来调整不同区块的焦距状态。虽然图中仅示意地绘示三个区块，但并不限定区块的数量。此外，不同液晶层322A的在投影位置不重叠的不同区块上，亦可同时成为反射状态，而对画面中的不同位置产生不同的焦距范围，皆不以此为限。
综上所述，上述实施例的头戴式显示装置的每个成像层具有不同的曲率，且能够在反射状态与透射状态之间转换。因此，头戴式显示装置可选择不同曲率的反射层进行反射，而获得不同焦距值，达到变焦的目的，进而减缓使用者眼部肌肉疲劳。
以上所述的实施例仅系为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的权利要求，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，适于连接外部电子装置，以自所述外部电子装置接收影像信号并进行显示，所述头戴式显示装置包括：
眼动追踪模块，用以侦测使用者的眼球运动，以获取眼动追踪信息；
可调焦成像模块，包括重叠配置的多个成像层，每个所述成像层具有不同的曲率，且每个所述成像层的曲率分别对应自所述使用者的观看位置的不同焦距所设定，每个所述成像层包括液晶层以及线性反射偏振片，所述线性反射偏振片相对所述液晶层远离观看位置；以及
影像产生模块，电性连接所述眼动追踪模块以及所述可调焦成像模块，用以接收所述影像信号，而产生偏振影像光束至所述可调焦成像模块，其中所述影像产生模块根据所述眼动追踪信息决定所述成像层其中之一为反射状态，而其他的所述成像层为透射状态，以将所述偏振影像光束经由所述反射状态的所述成像层反射至所述观看位置。
2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，其中所述可调焦成像模块根据所述成像层的液晶层是否通电，来调整所述成像层为所述反射状态或所述透射状态。
3.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其特征在于，其中所述液晶层为扭曲向列型，且所述成像层的相邻的液晶层之间夹有对应各液晶层的多个电极，其中在所述反射状态下，所述成像层的液晶层未通电；以及在所述透射状态下，所述成像层的液晶层受对应的所述电极施加电压而通电。
4.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其特征在于，其中所述液晶层为垂直配向型或水平配向型，且所述成像层的相邻的液晶层之间夹有对应各液晶层的多个电极，其中在所述反射状态下，所述成像层的液晶层受对应的所述电极施加电压而通电；以及在所述透射状态下，所述成像层的液晶层未通电。
5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，其中每个所述成像层的液晶层区分成多个区块，所述成像层的相邻的液晶层之间夹有对应每个所述区块的多个电极，以对每个所述区块分别施加电压而通电，以根据所述眼动追踪信息决定所述区块的其中之一为所述反射状态。
6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，其中在所述反射状态下，所述成像层的液晶层的液晶排列方向改变，使所述偏振影像光束的光轴偏转，而由所述线性反射偏振片反射光轴偏转后的所述偏振影像光束。
7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，更包括分光镜，设置于所述影像产生模块与所述可调焦成像模块之间，所述分光镜将所述偏振影像光束反射至所述可调焦成像模块，并让经由所述可调焦成像模块反射的所述偏振影像光束通过。
8.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，其中所述眼动追踪模块为红外线眼动追踪模块，而所述头戴式显示装置更包括热镜，设置于所述眼动追踪模块与观看位置之间，所述热镜反射所述眼动追踪模块所产生的红外线至所述观看位置。
9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，更包括线性偏振片，设置于所述影像产生模块与所述可调焦成像模块之间，所述影像产生模块产生自然光影像光束，所述自然光影像光束通过所述线性偏振片而输出所述偏振影像光束。
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