[0001] 本发明涉及一种头戴式显示器，且特别是涉及一种可提升眼球追踪动作精确度的头戴式显示器。

[0002] 在公知技术中，头戴式显示器中常通过设置光学组件来使用来显示画面的图像光束可传送至使用者的眼睛。然而，通过设置这类的光学组件，常会使用以执行眼球追踪动作的红外线光束，也发生传输路径的偏折动作，造成红外线照相机无法有效的提取到用户的眼球图像，并降低眼球追踪的精确度。

[0040] 现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。

[0041] 请参照图1，图1示出本发明一实施例的头戴式显示器的示意图。头戴式显示器100包括显示器110、图像提取器120、光束产生器130‑1、130‑2、光学补偿组件140以及透镜组150。在本实施例中，显示器110用以产生图像光束ILB。显示器110并具有一开口区域OZ1。图像提取器120则对应开口区域OZ1，与显示器110相互重迭设置。显示器110并用以通过开口区域OZ1以提取目标区TG上的目标区图像。在本实施例中，目标区TG可以为用户眼球的区域，而目标区TG上的目标区图像可以为用户眼球的图像。

[0042] 在本实施例中，光束产生器130‑1、103‑2可以分别设置在透镜组150的两个侧边。光束产生器130‑1、103‑2分别产生光束LB1、LB2，并传送光束LB1、LB2至目标区TG。目标区TG并反射光束LB1、LB2以分别产生反射光束RLB1、RLB2，并使反射光束RLB1、RLB2被传送至光学补偿组件140。

[0043] 在本实施例中，光束产生器130‑1、103‑2可以为红外线发射器，且光束产生器130‑1、103‑2的数量可以为一个或是多个，没有固定的限制。此外，图像提取器120则可以为一照相机，例如为可感测出红外线图像的红外线照相机。

[0044] 此外，光学补偿组件140设置在显示器110与目标区TG间。光学补偿组件140用以转换图像光束ILB的传送方向，并产生为准直光束的图像光束ILB’来传送至透镜组150。在另一方面，光学补偿组件140并可使由目标区TG传送至的反射光束RLB1以及RLB2在不变更传送方向的前提下，直接透射至图像提取器120。如此一来，图像提取器120可以有效提取到目标区图像，维持眼球追踪动作的准确度。

[0045] 在此请注意，在本发明实施例中，光学补偿组件140可以为分光绕射组件(Diffractive optics element)。分光绕射组件可以能够依据入射光波的频段，来决定是否改变入射光波的波前，以改变了入射光的路径。在本实施例中，光学补偿组件140可改变图像光束ILB的传送路径，但不改变反射光束RLB1以及RLB2的传送路径。

[0046] 附带一提，在本实施例中，光学补偿组件140与透镜组150间的距离，大于光学补偿组件140与显示器110间的距离。

[0047] 以下请参照图2，图2示出本发明另一实施例的头戴式显示器的示意图。头戴式显示器200包括显示器210、图像提取器220、光束产生器230‑1、230‑2、光学补偿组件240以及透镜组250。显示器210用以产生图像光束ILB。光学补偿组件240用以改变图像光束ILB的传输路径，并产生图像光束ILB’以传送至目标区TG。目标区TG上产生的反射光束RLB并直接通过光学补偿组件240以传送至显示器210的开口区域OZ1中的图像提取器220。如此一来，图像提取器220可有效提取到目标区图像。

[0048] 与前述实施例不相同的，本实施例中，光学补偿组件240与透镜组250间的距离，小于光学补偿组件240与显示器210间的距离。

[0049] 以下请参照图3A以及图3B，图3A以及图3B示出本发明另一实施例的头戴式显示器及其动作示意图。在图3A中，头戴式显示器300包括显示器310、图像提取器320、光束产生器330、光学补偿组件340、透镜组350以及控制器370。显示器310具有开口区域，图像提取器
320设置在开口区域，并与显示器310重迭配置。在本实施例中，显示器310可区分为第一显示区域DA1以及第二显示区域DA2。其中第二显示区域DA2相对于第一显示区域DA1较接近开口区域。光学补偿组件340包括第一部分341以及第二部分342。

[0050] 在本实施例中，光学补偿组件341、342为动态折射光学(Dynamic refractive optics)组件，并可依据为电气信号的控制信号CTRL来改变形状。其中在本实施例中，在第一时间区间中，光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342朝向透镜组350的第一表面可依据控制信号CTRL被调整为曲面，而光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342朝向显示器310的第二表面则可维持为平面。控制信号CTRL由控制器370来提供。

[0051] 在此同时，显示器310的第二显示区域DA2所产生的图像光束ILB2的亮度，为显示器310的第一显示区域DA1所产生的图像光束ILB1的亮度的两倍。此时，光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342依据第一表面的曲度，来针对图像光束ILB1以及图像光束ILB2进行传输路径的调整，并将调整后的图像光束ILB1’、ILB2’传送至透镜组350。

[0052] 值得注意的，在本实施例中，在第一时间区间中，光束产生器330以及图像提取器320被关闭而不执行动作。

[0053] 接着请参照图3B，在第二时间区间中，光学补偿组件341、342朝向透镜组350的第一表面可依据控制信号CTRL被调整为平面，而光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342朝向显示器310的第二表面则维持为平面。在此同时，显示器310的第二显示区域DA2所产生的图像光束ILB2的亮度与显示器310的第一显示区域DA1所产生的图像光束ILB1的亮度相同。并且，光束产生器330开始发送光束LB至目标区TG。目标区TG可依据光束LB产生反射光束RLB。反射光束RLB可直接通过光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342相互连接的区域ZA，以传输至图像提取器320。

[0054] 在此请注意，在第二时间区间中，基于光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342的截面被调整为矩形的形状，因此在光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342中，对应显示器310的开口区域的区域ZA不会有图像光束ILB1、ILB2通过。而反射光束RLB可不受干扰的通过区域ZA以传送至图像提取器320。

[0055] 此外，在第二时间区间中，图像提取器320被启动以提取目标区TG上的目标区图像。其中通过目标区图像上，反射光束RLB所产生的光点位置，可有效执行眼球追踪动作。

[0056] 以下请同步参照图3A至图3C，图3C示出本发明图3A、图3B实施例的头戴式显示器的动作波形示意图。头戴式显示器300的动作可以依据同步信号SYNC来执行。同步信号SYNC的每一周期可定义出每一图像框周期(frame period)。在一图像框周期FR中的第一时间区间T1中，用以控制光学补偿组件340的控制信号CTRL的电压值被拉高，并使光学补偿组件340发生形变。在此同时，第二显示区域DA2所产生的图像光束ILB2的亮度为第一显示区域DA1所产生的图像光束ILB1的亮度的两倍。接着，在第二时间区间T2中，控制信号CTRL的电压值被拉低，光学补偿组件340的截面恢复为矩形。同时，第二显示区域DA2所产生的图像光束ILB2的亮度变更为与第一显示区域DA1所产生的图像光束ILB1的亮度相同。另外，图像提取器320、光束产生器330依据信号EYET以启动，并执行眼球追踪的动作。同步信号SYNC、信号EYET也可由控制器370来产生。

[0057] 值得一提的，在第一时间区间T1中，通过提升图像光束ILB2，可以补偿在第二时间区间T2中，对应区域ZA的位置没有提供图像光束所可能造成的亮度差异，并可有效维持显示图像的质量。

[0058] 在本实施例中，图像框周期FR可对应120赫兹的频率。

[0059] 本发明实施例中的控制器370可以为具运算能力的处理器。或者，控制器370可以是通过硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)或是其他任意本领域技术人员所熟知的数字电路的设计方式来进行设计，并通过现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、复杂可编程逻辑装置(Complex Programmable Logic Device，CPLD)或是特殊应用集成电路(Application‑specific Integrated Circuit，ASIC)的方式来实现的硬件电路。

[0060] 以下请同步参照图4A至图4C，图4A至图4C示出本发明实施例的头戴式显示器的另一动作方式的示意图。本实施方式的头戴式显示器的硬件架构与图3A中的头戴式显示器300相同，在此不多赘述。其中，在图4A、图4C中，基于同步信号SYNC，在一图像框周期FR的第一时间区间T1中，光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342依据被拉高的控制信号CTRL产生形变。在此同时，显示器310的第一显示区域DA1不发送图像光束ILB1；显示器310的第二显示区域DA2发送图像光束ILB2。光学补偿组件340的第二部分342调整图像光束ILB2的传输路径，并将图像光束ILB2’传送至目标区TG。

[0061] 另外，在图4B、图4C中，在第二时间区间T2，光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342的截面依据被拉低的控制信号CTRL恢复为矩形。显示器310的第一显示区域DA1与第二显示区域DA2分别发送相同亮度的图像光束ILB1以及图像光束ILB2。

[0062] 同时，在第二时间区间T2，图像提取器320、光束产生器330可依据信号EYET以启动，并执行眼球追踪的动作。

[0063] 以下请同步参照图5A至图5C，图5A至图5C示出本发明实施例的头戴式显示器的另一动作方式的示意图。本实施方式的头戴式显示器的硬件架构与图3A中的头戴式显示器300相同，在此不多赘述。其中，在图5A、图5C中，基于同步信号SYNC，在一图像框周期FR的第一时间区间T1中，光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342依据被拉高的控制信号CTRL产生形变。在此同时，显示器310的第一显示区域DA1与第二显示区域DA2发送具有相同亮度的图像光束ILB1、ILB2。

[0064] 另外，在图4B、图4C中，在第二时间区间T2，光学补偿组件340的第一部分341、第二部分342的截面依据被拉低的控制信号CTRL恢复为矩形。显示器310的第一显示区域DA1与第二显示区域DA2停止发送图像光束ILB1、ILB2。

[0065] 同时，在第二时间区间T2，图像提取器320、光束产生器330可依据信号EYET以启动，并执行眼球追踪的动作。

[0066] 以下请参照图6A至图6H，图6A至图6H分别示出本发明实施例的头戴式显示器的显示器、图像提取器、光学补偿组件的多个配置方式的示意图。在图6A中，头戴式显示器601的显示器611配置在光学补偿组件641的后方，并具有开口区域OZ1。图像提取器621设置在开口区域OZ1中。在图6B中，头戴式显示器602具有显示器612‑1以及612‑2以配置在光学补偿组件642的后方。显示器612‑1以及612‑2间具有一间隔区域BZ1。图像提取器622可设置在间隔区域BZ1中。在本实施方式中，间隔区域BZ1等效于显示器中的开口区域。在图6C中，头戴式显示器603具有显示器613‑1以及613‑2以配置在光学补偿组件643的后方。显示器613‑1以及613‑2间并具有一间隔区域BZ2。其中，间隔区域BZ2与前述实施方式中的间隔区域BZ1的走向是不相同的(例如相互正交)。图像提取器623可设置在间隔区域BZ2中。在图6D中，头戴式显示器604具有显示器614‑1～614‑4以2X2的方式配置在光学补偿组件644的后方。显示器614‑1～614‑4间并形成十字的间隔区域BZ3，图像提取器624可设置在十字的间隔区域BZ3的中心位置。

[0067] 在图6E中，头戴式显示器605的显示器615配置在光学补偿组件645的后方。显示器615具有开口区域OZ1以及辅助开口区域OZ2、OZ3。头戴式显示器605包括图像提取器625以及辅助图像提取器625‑1、625‑2。图像提取器625以及辅助图像提取器625‑1、625‑2分别设置在开口区域OZ1以及辅助开口区域OZ2、OZ3中。

[0068] 在图6F中，头戴式显示器606的显示器616‑1、616‑2配置在光学补偿组件646的后方。显示器616‑1、616‑2相互水平排列，并形成间隔区域BZ4。头戴式显示器606并包括图像提取器626以及辅助图像提取器626‑1、626‑2。其中，辅助图像提取器626‑1、图像提取器626以及辅助图像提取器626‑2可依序排列在间隔区域BZ4中。

[0069] 在图6G中，头戴式显示器607的显示器617‑1、617‑2配置在光学补偿组件647的后方。显示器617‑1、617‑2相互垂直排列，并形成间隔区域BZ5。头戴式显示器607并包括图像提取器627以及辅助图像提取器627‑1、627‑2。其中，辅助图像提取器627‑1、图像提取器627以及辅助图像提取器627‑2可依序排列在间隔区域BZ5中。

[0070] 在图6H中，头戴式显示器608的显示器618‑1～618‑4以2X2的形式配置在光学补偿组件648的后方。显示器618‑1～618‑4间并形成十字形的间隔区域BZ6。头戴式显示器608并包括图像提取器628以及辅助图像提取器628‑1～628‑4。其中，图像提取器628以及辅助图像提取器628‑1～628‑4分布设置在间隔区域BZ6中。细节上，图像提取器628设置在间隔区域BZ6的中心区域，辅助图像提取器628‑1、628‑2相互水平设置，辅助图像提取器628‑3、628‑4则相互垂直设置。

[0071] 以下请参照图7，图7示出本发明另一实施例的头戴式显示器的示意图。在图7中，头戴式显示器700的显示器710延一方向可具有多个开口区域(例如3个或大于3的奇数个)，并用以设置多个图像提取器721～723。图像提取器722可以设置在对应至光学补偿组件740的中心位置，并正对目标区。图像提取器721、723则可设置在图像提取器722的两侧。图像提取器721、723可以做为辅助图像提取器。

[0072] 在本实施例中，依据不同角度的图像提取器721～723所提取的目标区图像，可以计算出用户眼球的曲度，以优化眼球追踪动作的功效。

[0073] 以下请参照图8，图8示出本发明另一实施例的头戴式显示器的示意图。在图8中，头戴式显示器800的显示器810延一方向可具有多个开口区域(例如2个或大于2的奇数个)，并用以设置多个图像提取器821～822。在本实施例中，对应至光学补偿组件840的中心位置可不需设置图像提取器。图像提取器821、822可设置在对应目标区TG的两个侧边。图像提取器821、822可以提取到不同角度的目标区图像，可作为计算出使用者眼球的曲度的依据。

[0074] 根据上述，本发明提供光学补偿组件，使用以显示的图像光束以及作为眼球追踪依据的反射光束，在不相互干扰的前提下，分别传送至目标区以及图像提取器。如此一来，在不减低显示效果的条件下，头戴式显示器仍可执行具有高精确度的眼球追踪动作，提升整体的效能

[0075] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。