TWI716968B - 頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統 - Google Patents

頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統 Download PDF

Info

Publication number
TWI716968B
TWI716968B TW108129142A TW108129142A TWI716968B TW I716968 B TWI716968 B TW I716968B TW 108129142 A TW108129142 A TW 108129142A TW 108129142 A TW108129142 A TW 108129142A TW I716968 B TWI716968 B TW I716968B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
optical lens
user
eyeball
optical
receiving module
Prior art date
Application number
TW108129142A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202014757A (zh
Inventor
張扣文
郭美杉
宋立通
唐溦
謝劍
Original Assignee
大陸商余姚舜宇智能光學技術有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 大陸商余姚舜宇智能光學技術有限公司 filed Critical 大陸商余姚舜宇智能光學技術有限公司
Publication of TW202014757A publication Critical patent/TW202014757A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI716968B publication Critical patent/TWI716968B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/332—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/344—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] with head-mounted left-right displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/001—Eyepieces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/013—Eye tracking input arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/366—Image reproducers using viewer tracking
    • H04N13/383—Image reproducers using viewer tracking for tracking with gaze detection, i.e. detecting the lines of sight of the viewer's eyes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)

Abstract

頭戴式可視設備及用於所述頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其包括一螢幕，用於投射一虛擬場景圖像至使用者的眼球，一VR(Virtual Reality)光學透鏡，用於在所述螢幕和該使用者的眼球之間構建一光學路徑；以及，一眼球追蹤系統，用於檢測該使用者的眼球的視線方向。所述眼球追蹤系統包括：至少一光源，用於投射一檢測光至該使用者的眼球；以及，一接收模組，用於接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，其中，所述接收模組位於所述VR光學透鏡的側部，並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收。這樣，所述眼球追蹤系統的光路不經過VR光學透鏡，以簡化所述頭戴式可視設備的整體光路系統設計，利於實施。

Description

頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統
本發明涉及虛擬實境領域，尤其涉及用於實現虛擬實境的頭戴式可視設備及用於所述頭戴式可視設備的眼球追蹤系統。
近年來，虛擬實境(virtual reality)和增強現實(Augmented Reality)為人類創造了獨特的感官體驗。虛擬實境是一種在類比環境中與電腦生成的虛擬場景所產生的互動式體驗。沉浸式的模擬環境可以與現實世界相類似，或者脫離于現實世界，從而創造出在普通物理現實世界中無法實現的感官體驗。目前，市場上湧現了諸多VR技術相關產品，通過這些產品使用者可沉浸於三維立體空間視覺中並與之交互。
最常見的VR產品為頭戴式可視設備(Head-Mounted Display)，其外形類似於眼鏡。在使用時，使用者穿戴該設備於頭部以進行虛擬實境體驗。頭戴式可視設備的主流支撐技術包括：SLAM演算法和眼球追蹤技術。其中，SLAM演算法(Simultaneous Localization and Mapping)的主要作用在於構建沉浸式虛擬環境，其技術核心在於同步定位與地圖構建。對於SLAM演算法所構建的整體虛擬環境，應確保該虛擬環境在頭戴顯示裝置的顯示位置能夠被 人眼所觀察到。這正是眼球追蹤技術的核心目的：通過檢測人眼的視線方向，調整該虛擬環境的顯示位置，藉此，確保人眼能夠觀察到該虛擬環境圖像。
然而，在頭戴式可視設備的具體實施中仍存在諸多技術難題，尤其是頭戴式可視設備的光學系統的設計。這些技術難題嚴重地影響著用戶的體驗，制約著頭戴式可視設備在實際產業中更廣泛的應用。
本發明的主要目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，所述眼球追蹤系統的光路不經過VR光學透鏡，以簡化所述頭戴式可視設備的整體光路系統設計，利於實施。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，所述眼球追蹤系統的光路不經過所述VR光學透鏡，因此，所述VR光學透鏡僅需對螢幕所投射的圖像進行光學處理，而無需兼顧對所述眼球追蹤系統的光路的影響。換言之，所述VR光學透鏡的光學參數相對較為統一，以利於所述VR透鏡的光學設計和加工。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，所述眼球追蹤系統的光路傳播不經過所述VR光學透鏡。換言之，所述VR光學透鏡與所述眼球追蹤系統的相互獨立，以利於提升所述頭戴式可視設備整體性能的穩定性。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，用於實現眼球追蹤的檢測光線在人眼處漫反射後，直接被用於實現眼球追蹤的接收模組所感知，從而相較于現有的用於頭戴 式可視設備的眼球追蹤系統，用於反射該檢測光的反射鏡被省略，以簡化所述眼球追蹤系統的光學系統，並節省成本。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，所述接收模組的感光晶片所在平面與其光學透鏡所在平面之間呈一夾角。換言之，所述感光晶片所在平面與光學透鏡所在平面之間傾斜地設置，從而通過“成像面傾斜”的方式簡化所述接收模組的光學設計要求，並利於其提高成像品質。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，通過“成像面傾斜”的設置方式，能夠實現對“相對照度”進行補償。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，在眼球追蹤系統中，用於投射該檢測光的光源具有相對較小的尺寸，以防止光源自身尺寸對人眼的觀察造成不良影響。換言之，通過尺寸較小的光源縮減人眼的視覺盲區範圍。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，在本發明的一實施例中，所述眼球追蹤系統與所述VR光學透鏡集成地設置，以通過眼球追蹤系統與所述VR光學透鏡結構上的穩定關係，確保所述眼球追蹤系統和所述VR光學透鏡的光學穩定性。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，在本發明的一實施例中，所述眼球追蹤系統與所述VR光學透鏡集成地設置，從而可消除在裝配過程中所引起的誤差，減輕重量且利於後期維護。
本發明的另一目的在於提供一頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其中，在本發明的一實施例中，所述頭戴式可視設備的 所述螢幕相對所述VR光學透鏡可移動，以通過調節所述螢幕和所述VR光學透鏡之間的距離調整人眼屈光度，以確保使用者的體驗。
通過下面的描述，本發明的其它優勢和特徵將會變得顯而易見，並可以通過權利要求書中特別指出的手段和組合得到實現。
為實現上述至少一目的或優勢，本發明提供一頭戴式可視設備，包括：一螢幕，用於投射一虛擬場景圖像至使用者的眼球，一VR(Virtual Reality)光學透鏡，用於在所述螢幕和該使用者的眼球之間構建一光學路徑，以使得所述螢幕所投射的所述虛擬場景圖像能夠透過所述VR光學透鏡抵至該使用者的眼球；以及一眼球追蹤系統，用於檢測該使用者的眼球的視線方向，以基於該視線方向調整所述虛擬場景圖像位於所述螢幕的顯示位置，其中，所述眼球追蹤系統包括：至少一光源，用於投射一檢測光至該使用者的眼球；以及一接收模組，用於接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於所述VR光學透鏡的側部，並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收。
在本發明一實施例中，所述光學鏡頭包括至少一光學透鏡和一感光晶片，其中，所述光學鏡頭用於接收該使用者的眼球處所反射的該檢測光，其中，所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間具有一夾角。
在本發明一實施例中，所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角的大小取決於該使用者眼球所設定的物方光 軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角和所述至少一光學透鏡自身的光學參數。
在本發明一實施例中，該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角取決於該使用者的眼球與所述VR光學透鏡之間的距離，該使用者的眼球的預設直徑，以及，所述VR光學透鏡與所述接收模組之間的距離。
在本發明一實施例中，該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角的範圍為：25.0°~40.0°。
在本發明一實施例中，設定該使用者眼球所設定的光軸和所述接收模組所設定的光軸之間的夾角為32°。
在本發明一實施例中，設定所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角為20°。
在本發明一實施例中，所述接收模組的所述至少一光學透鏡被實施為單片非球面光學透鏡。
在本發明一實施例中，所述眼球追蹤系統集成於所述VR光學透鏡，以使得所述VR光學透鏡和所述眼球追蹤系統具有一體式結構。
在本發明一實施例中，所述至少一光源包括8個所述光源，其中，8個所述光源周向地佈置於所述VR光學透鏡的周緣，用於投射該檢測光至該使用者的眼球。
在本發明一實施例中，每一所述光源包括多路光纖和一非可見光光源，所述多路光纖分別連通於所述非可見光源，以使得在所述非可見光源被導通後，分別於所述多路光纖的每一光纖處產生該檢測光。
在本發明一實施例中，所述螢幕相對所述VR光學透鏡可移動，以通過改變所述螢幕和所述VR光學透鏡之間的距離，調節該使用者的眼球的屈光度。
根據本發明的另一方面，本發明還提供一用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其包括：至少一光源，用於投射一檢測光至該使用者的眼球；以及一接收模組，用於接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於該頭戴式可視設備的VR光學透鏡的側部，並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收。
在本發明一實施例中，所述接收模組包括一光學鏡頭和一感光晶片，其中，所述光學鏡頭包括至少一光學透鏡，用於接收該使用者的眼球處所反射的該檢測光，其中，所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所述設定的平面之間具有一夾角。
在本發明一實施例中，所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角的大小取決於該使用者眼球設定的物方光軸和所述接收模組設定的感光光軸之間的夾角和所述至少一光學透鏡自身的光學參數。
在本發明一實施例中，該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角取決於該使用者的眼球與該VR光學透鏡之間的距離，該使用者的眼球的預設直徑，以及，該VR光學透鏡與所述接收模組之間的距離。
在本發明一實施例中，設定該使用者眼球所設定的光軸和所述接收模組所設定的光軸之間的夾角為32°，以及，設定所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角為20°。
在本發明一實施例中，所述接收模組的所述至少一光學透鏡被實施為單片非球面光學透鏡。
在本發明一實施例中，所述至少一光源包括8個所述光源，其中，8個所述光源周向地佈置于該頭戴式可視設備的VR光學透鏡的周緣，用於投射該檢測光至該使用者的眼球，其中，每一所述光源包括多路光纖和一非可見光光源，所述多路光纖分別連通於所述非可見光源，以使得在所述非可見光源被導通後，分別於所述多路光纖的每一光纖處產生該檢測光。
根據本發明的另一方面，本發明還提供一用於頭戴式可視設備的眼球追蹤方法，其包括：投射一檢測光至使用者的眼球；以及通過一接收模組，接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於該頭戴式可視設備的VR光學透鏡的側部並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收。
根據本發明的另一方面，本發明還提供一用於頭戴式可視設備的屈光度調整方法，其包括：移動螢幕以調節所述螢幕與VR光學透鏡之間的距離，以改變使用者的眼球的屈光度。
在本發明一實施例中，眼球追蹤系統集成於所述VR光學透鏡，以使得所述VR光學透鏡和所述眼球追蹤系統具有一體式結構。
通過對隨後的描述和附圖的理解，本發明進一步的目的和優勢將得以充分體現。
本發明的這些和其它目的、特點和優勢，通過下述的詳細說明，附圖和權利要求得以充分體現。
1P:螢幕
2P:VR光學透鏡
3P:人眼
5P:光源
4P:反射鏡
6P:接收模組
10:虛擬場景成像系統
11:螢幕
12:VR光學透鏡
20:眼球追蹤系統
300:檢測光
21:光源
211:多路光纖
212:非可見光光源
22:接收模組
221:感光晶片
222:光學鏡頭
2221:非球面光學透鏡
30:使用者的眼球
X:物方光軸
Y:感光光軸
圖1是現有的頭戴式可視設備的光路系統示意圖。
圖2是現有的頭戴式可視設備的眼球追蹤光路的LED光源投射檢測光至使用者的眼球的示意圖。
圖3是現有的頭戴式可視設備的調節眼球屈光度的過程示意圖。
圖4圖示了依據本發明一較佳實施例的所述頭戴式可視設備的光學系統示意圖。
圖5圖示了設定所述接收模組的感光晶片與感光光軸Y之間以垂直關係佈置時，所述接收模組的理想成像面與所述感光晶片所在平面之間相對位置關係示意圖。
圖6和圖7圖示了依據本發明該較佳實施例的所述眼球追蹤系統的特定光學系統設計的示意圖。
圖8和圖9示意了依據本發明該較佳實施例的所述眼球追蹤系統的所述至少一光源的示意圖。
圖10圖示了依據本發明該較佳實施例的所述頭戴式可視設備的調節眼球屈光度的過程示意圖
以下描述用於揭露本發明以使本領域技術人員能夠實現本發明。以下描述中的優選實施例只作為舉例，本領域技術人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發明的基本原理可以應用於其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發明的精神和範圍的其他技術方案。
本領域技術人員應理解的是，在本發明的揭露中，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水準”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係是基於附圖所示的方位或位置關係，其僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此上述術語不能理解為對本發明的限制。
可以理解的是，術語“一”應理解為“至少一”或“一個或多個”，即在一個實施例中，一個元件的數量可以為一個，而在另外的實施例中，該元件的數量可以為多個，術語“一”不能理解為對數量的限制。
申請概述
如上所述，頭戴式可視設備的主要支撐技術為：SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)演算法和眼球追蹤技術。然而，在頭戴式可視設備具體的實施中仍存在著諸多技術難題，尤其是頭戴式可視設備的光學系統設計。
圖1是現有的頭戴式可視設備的光路系統示意圖。如圖1所示，頭戴式可視設備的光路系統主要由虛擬場景成像光路和眼球追蹤光路所構成。其中，虛擬場景的成像光路的路徑為：螢幕1P-VR光學透鏡2P-人眼3P。在 工作過程中，螢幕1P所投射的虛擬場景圖像透過所述VR光學透鏡2P並抵至使用者的眼球3P，以允許使用者觀察到該虛擬場景圖像並與之進行交互。眼球追蹤光路的路徑為：光源5P-人眼3P-VR光學透鏡2P-反射鏡4P-接收模組6P。眼球追蹤光路的作用在於檢測使用者的視線方向，以基於此調整虛擬場景圖像位於螢幕1P的顯示位置，以確保該虛擬場景圖像位於人眼能夠觀察到的區域。然而，這樣的光學系統設置方式卻存在諸多缺陷。
首先，虛擬場景成像光路和眼球追蹤光路皆通過VR光學透鏡2P。換言之，對於VR光學透鏡2P而言，其不僅需對可見光進行調製還需對非可見光進行調製(虛擬場景投射光路的光線為可見光，眼球追蹤光路的光線為非可見光)。這裡，本領域的技術人員應知曉，當光學元件需對不同波段的光波進行不同程度的調製，其光學設計難度高且結構複雜。即使，該VR光學透鏡2P能夠通過複雜的工藝製備而成，藉由該VR光學透鏡2P所構成的光學系統的性能的穩定性也相對較差。不難想像，當該VR光學透鏡2P的位置由於震動或其他意外因素發生偏移時，該虛擬場景成像光路和該眼球追蹤光路的性能皆受到影響。
其次，現有的眼球追蹤系統的光源5P通常為LED(Light Emitting Diode)光源，其周向地安裝於該VR光學透鏡2P的周緣，用於投射檢測光至使用者眼球。由於LED光源安裝於該VR光學透鏡2P的周緣，即，LED光源位於人眼觀察方向，因此，LED光源於該VR光學透鏡2P的佈置位置將限制人眼的觀察範圍。換言之，形成人眼的視覺盲區。圖2是現有的頭戴式可視設備的眼球追蹤光路的LED光源投射檢測光至使用者的眼球3P的示意圖。如圖2所示，使用者的視覺範圍僅限於LED光源限定所形成的陰影區域，而陰影外的區域人眼無法觀察到。這裡，由於LED光源的尺寸相對較大，導致LED光源干擾視覺體驗的不良影響將增加。
還有，現有的頭戴式可視設備的眼球追蹤光路為：光源5P-人眼3P-VR光學透鏡2P-反射鏡4P-接收模組6P。換言之，為了確保眼球追蹤系統的檢測性能，光源5P的佈置位置，VR光學透鏡2P與反射鏡4P的相對位置關係，以及，反射鏡4P和接收模組6P之間的相對位置關係，皆需保持相對較高的精度。這無疑導致眼球追蹤系統的設計難度、組裝難度，結構複雜度的增加。
此外，對於頭戴式可視設備而言，其需根據人眼的近視或遠視程度進行匹配調節，以滿足用戶體驗和需求。如圖3所示，現有的頭戴式可視設備滿足該需求的技術方案為：固定反射鏡4P和接收模組6P的相對位置保持不變，移動VR光學透鏡2P，以改變螢幕1P上虛擬場景圖像在人眼中成像的焦點位置，通過這樣的方式，調節人眼的屈光度，保證成像品質。然而，這樣的調節方式(移動VR光學透鏡2P)，改變了眼球追蹤光路中眼球3P和接收模組6P之間的物距，導致接收模組6P的成像品質受到影響，以進一步地導致眼球追蹤光路的人眼視線方向檢測精度的降低。
針對上述技術問題，本發明的基本構思是通過改變眼球追蹤系統的光路設計，以使得用於檢測人眼視線方向的檢測光不經過VR光學透鏡而直接被所述接收模組所接收，從而眼球追蹤系統的光路與虛擬場景的成像光路相對保持獨立，以降低眼球追蹤系統的設計難度，簡化其結構，且利於提高所述頭戴式可視設備整體性能穩定性。
基於此，本發明提出了一種頭戴式可視設備，其包括：一螢幕，用於投射一虛擬場景圖像至使用者的眼球，一VR(Virtual Reality)光學透鏡，用於在所述螢幕和該使用者的眼球之間構建一光學路徑，以使得所述螢幕所投射的所述虛擬場景圖像能夠透過所述VR光學透鏡抵至該使用者的眼球；以及，一眼球追蹤系統，用於檢測該使用者的眼球的視線方向，以基於該視線 方向調整所述虛擬場景圖像位於所述螢幕的顯示位置，其中，所述眼球追蹤系統包括：至少一光源，用於投射一檢測光至該使用者的眼球；以及一接收模組，用於接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於所述VR光學透鏡的側部，並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收。
在介紹本發明的基本原理之後，下面將參考附圖來具體介紹本發明的各種非限制性實施例。
示例性頭戴式可視設備
根據圖4至圖10所示，依據本發明一較佳實施例的頭戴式可視設備被闡明，其中，使用者可穿戴所述頭戴式可視設備於頭部以進行虛擬實境體驗。
圖4圖示了依據本發明該較佳實施例的所述頭戴式可視設備的光學系統示意圖。如圖4所示，所述頭戴式可視設備的光學系統主要由兩部分組成：虛擬場景成像系統10和眼球追蹤系統20。
如圖4所示，所述虛擬場景成像系統10包括一螢幕11和一VR(Virtual Reality)光學透鏡12，其中，所述螢幕11用於投射一虛擬場景圖像至使用者的眼球，所述VR光學透鏡12位於所述螢幕11和該使用者的眼球30之間，用於在兩者之間構建一光學路徑，以使得所述螢幕11所投射的所述虛擬場景圖像能夠透過所述VR光學透鏡12抵至該使用者的眼球30。
所述眼球追蹤系統20包括至少一光源21和一接收模組22，其中，所述至少一光源21用於投射一檢測光300至該使用者的眼球30，所述接收模組22用於接收自該使用者的眼球30處所反射的該檢測光300，以檢測該使用者的眼球30的視線方向。在通過眼球追蹤系統20獲得該使用者的眼球30視線 方向之後，基於此，對應地調節所述圖像位於所述螢幕11的顯示位置，以確保所述螢幕11所投射的圖像始終位於人眼視場範圍內。換言之，在所述頭戴式可視設備中，所述虛擬場景成像系統10與所述眼球追蹤系統20相互配合，以確保使用者始終能夠觀察到所述螢幕11所產生的虛擬場景圖像並與之交互，以提升用戶體驗。
在具體實施中，所述螢幕11的所述虛擬場景圖像可藉由SLAM演算法生成。本領域的技術人員應知曉，SLAM演算法是視覺領域空間定位的前沿技術，其主要作用在於構建沉浸式虛擬場景。藉由SLAM演算法可解決人眼在頭戴式可視設備中的空間定位，並創建環境的地圖。在藉由SLAM演算法構建出沉浸式虛擬場景之後，所述虛擬場景圖像可直接顯示於所述螢幕11，或者藉由投影設備投射於所述螢幕11。換言之，在本發明的該較佳實施例中，所述螢幕11可被實施為主動式螢幕11或被動式螢幕11。
當所述螢幕11被實施為主動式螢幕11時(例如，液晶顯示幕)，藉由SLAM演算法所構建的虛擬場景圖像可直接顯示於所述螢幕11的特定位置。此時，使用者可透過所述VR光學透鏡12觀測到形成於所述螢幕11的所述虛擬場景圖像。相應地，當所述螢幕11被實施為被動式螢幕11時，所述頭戴式可視設備還包括一投影設備，所述投射設備用於投射藉由SLAM演算法所構建的虛擬場景圖像於所述螢幕11的特定位置。同樣地，使用者可透過所述VR光學透鏡12觀測到形成於所述螢幕11的所述虛擬場景圖像。兩者的區別在於，當所述螢幕11為主動式螢幕11時，所述虛擬場景圖像直接顯示於所述螢幕11的特定位置，即，所述螢幕11主動投射所述虛擬場景圖像至使用者眼球。而，當所述螢幕11為被動式螢幕11時，所述螢幕11的作用在於承接所述投射設備所投射的所述虛擬場景圖像，即，所述螢幕11被動地投射所述虛擬場景圖像至使用者眼球。
如前所述，在通過眼球追蹤系統20檢測到該使用者的眼球30視線方向之後，需對應地調節所述虛擬場景圖像位於所述螢幕11的顯示位置，以確保所述螢幕11所投射的圖像始終位於人眼視場範圍內。相應地，當所述螢幕11為主動式螢幕11時，在獲得使用者眼球的視線方向資訊後，所述螢幕11能夠主動地調整所述圖像於所述螢幕11的顯示位置，以確保所述螢幕11所投射的圖像能夠透過所述VR光學透鏡12被人眼觀測到。當所述螢幕11為被動式螢幕11時，所述圖像於所述螢幕11的顯示位置需依靠所述投影設備進行調節。相應地，在獲得使用者眼球的視線方向資訊後，所述投影設備能夠基於此改變其投影方向，以調整其所投影的所述虛擬場景圖像於所述螢幕11的顯示位置，以確保所述圖像於所述螢幕11的顯示位置始終位於人眼視場範圍內。
進一步地，在具體實施中，所述VR光學透鏡12通常被實施為菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)。本領域的技術人員應知曉，菲涅爾透鏡又名“螺紋透鏡”，其中，在透鏡的一側具有一系列鋸齒形凹槽，通過這些齒槽所形成的齒紋可以達到對指定光譜的光帶通(折射或反射)的作用。相較於其他光學透鏡，菲涅爾透鏡具有相對較低的成本。當然，本領域的技術人員應知曉，在本發明的該較佳實施例中，所述VR光學透鏡12可被實施為其他類型的光學透鏡。對此，本發明不作任何限制。
對於所述頭戴式可視設備而言，其性能主要取決於：所述虛擬場景成像系統10，所述眼球追蹤系統20，以及所述虛擬場景成像系統10和所述眼球光路系統之間的配合。如前所述，在現有的頭戴式可視設備中，虛擬場景成像光路和眼球追蹤光路共同VR光學透鏡12。換言之，在現有的頭戴式可視設備中，虛擬場景成像系統10和眼球追蹤系統20為結構緊密關聯的光學系統。這樣的光路系統引發了一系列技術問題(此部分已在申請概述中詳細介紹，故在此不再贅述)。
相應地，如圖4所示，在本申請的該較佳實施例中，所述眼球追蹤系統20的光路設計發生調整，以使得用於檢測人眼視線方向的檢測光300不經過VR光學透鏡12而直接被所述接收模組22所接收。通過這樣的方式，使得眼球追蹤系統20與虛擬場景成像系統10之間相對保持獨立，以實現降低眼球追蹤系統20的設計難度，簡化其結構，且利於提高所述頭戴式可視設備整體性能穩定性等技術目的。
更具體地說，在本發明的該較佳實施例中，所述眼球追蹤系統20的所述接收模組22被設置朝向該使用者的眼球30，從而自該使用者的眼球30處所反射的該檢測光300能夠直接被所述接收模組22所接收，而無需像現有技術中需透過VR光學透鏡12，並經過反射鏡的作用。這樣，對於所述VR光學透鏡12而言，在本發明中，其僅需對所述螢幕11所投射的可見光波段進行處理，而無需對用於實現眼球追蹤的非可見光波段進行處理。換言之，在本發明的該較佳實施例中，由於所述VR光學透鏡12的光學設計難度降低，結構簡化。
進一步地，藉由所述接收模組22的特殊佈置方式，所述眼球追蹤系統20的光路由光源-人眼-VR光學透鏡-反射鏡-接收模組被簡化為所述至少一光源21-該使用者的眼球30-所述接收模組22。從光路的簡化可看出，所述眼球追蹤系統20所涉及的元件數量減少。本領域的技術人員應容易理解，對於單一系統而言，系統的元件越少，系統內元件與元件之間的配合精度更容易確保且系統相對更為穩定。換言之，所述眼球追蹤系統20的設計難度、組裝難度，整體結構的複雜度等都得以降低。
更為重要的是，通過所述眼球追蹤系統20的光路的調整，使得所述虛擬場景成像系統10與所述眼球追蹤系統20在結構上保持獨立。換言之，從結構層面來看，所述虛擬場景成像系統10與所述眼球追蹤系統20是完 全獨立的兩個系統。本領域的技術人員應知曉，對於多系統而言，系統與系統之間的關聯度越低，多系統的穩定程度越高。對應到本發明中，所述眼球追蹤系統20與所述虛擬場景成像系統10沒有共用的元器件(所述VR光學透鏡12)。即，所述眼球追蹤系統20與所述虛擬場景成像系統10之間的關聯度低，因此，由所述眼球追蹤系統20和所述虛擬場景構建系統10所構成的所述頭戴式可視設備的穩定性能高。
進一步地，如圖4所示，在本發明的該較佳實施例中，所述接收模組22被設置朝向該使用者的眼球30並位於所述VR光學透鏡12的側部(頂側或底側)，處於這樣的位置，以能夠直接接收從使用者的眼球處所反射的該檢測光300。這裡，應觀察到，設定該使用者的眼球30所設定的軸線為物方光軸X，以及，所述接收模組22的光學鏡頭222所設定的軸線為感光光軸Y，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間存在夾角α。換言之，該使用者的眼球30相對所述接收模組22處於傾斜狀態。
本領域的技術人員應知曉，如圖5所示，當物方光軸X與所述感光光軸Y存在夾角時，如果所述接收模組22的感光晶片221與所述感光光軸Y之間以垂直關係進行佈置(常規攝像模組的佈置方式)，那麼所述接收模組22的理想成像面與所述感光晶片221所設定的平面之間存在一定的夾角。從圖像表現上來看，形成於所述感光晶片221的人眼圖像的清晰度較低。
為了提高所述接收模組22的成像品質，可採用的第一種方案為：提高所述接收模組22的場曲參數，以使得所述接收模組22的理想成像面在場曲的作用下能與所述感光晶片221所設定的平面重合。然而，通過改變場曲參數提高所述接收模組22的技術方案，增加了所述接收模組22的光學設計難度，且對成像品質的提升作用不大。
優選地，在本發明的該較佳實施例中，採用第二種方案：改變所述感光晶片221所設定的平面相對於所述感光光軸Y的相對位置關係，即，改變所述感光晶片221與所述光學鏡頭222之間的相對位置關係，以使得所述感光晶片221所設定的平面與理想成像面之間盡可能地處於重疊的狀態。換言之，在第二種方案中，所述感光晶片221相對所述光學鏡頭222的位置被調整，以使得所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間處於非平行狀態，即，所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間存在夾角β。由於所述感光晶片221與所述光學鏡頭222之間處於傾斜狀態，為了便於理解和說明，將第二種方案定義為“成像面傾斜”的方案。
應領會的是，相對於第一種方案，在“成像面傾斜”的方案中，所述接收模組22的設計難度得以大幅降低。同時，隨著所述接收模組22的視場角的增加，成像點位置愈加密集，這樣，在一定程度上補償了所述接收模組22的相對照度。
在具體光學設計中，所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β，取決於所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α以及所述光學鏡頭222的自身參數。換言之，要求解所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β，需預先求解所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α以及所述光學鏡頭222的光學參數。
這裡，當採用“成像面傾斜”的方案時，所述接收模組22的所述光學鏡頭222的光學設計可得以簡化。特別地，在本發明的該較佳實施例中，所述接收模組22的所述光學鏡頭222可被實施為單片非球面光學透鏡 2221，其具有特定的焦度等光學參數。這裡，應領會的是，所述光學鏡頭222所設定的平面為由所述非球面光學透鏡2221所界定的平面。
此外，在本發明的該較佳實施例中，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α，取決於該使用者的眼球30與所述VR光學透鏡12之間的距離，該使用者的眼球30的預設直徑，以及，所述VR光學透鏡12與所述接收模組22之間的距離。通常，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α的範圍為：25.0°~40.0°。圖6和7圖示了依據本發明該較佳實施例的所述眼球追蹤系統20的特定光學系統設計的示意圖。如圖6所示，該使用者的眼球30與所述VR光學透鏡12之間的距離被設定為15mm，使用者的眼球的預設直徑被設定為35mm，以及，所述VR光學透鏡12與所述接收模組22之間的距離被設定為30mm，在這3個參數的限定下同時考慮到所述接收模組22的自身光學參數，最終設定，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α為32°。
由此，在設定所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α為32°，並確定所述接收模組22的所述光學鏡頭222實施為單片非球面光學透鏡2221的前提下，經檢測優化獲知：在所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β為20°時，所述接收模組22的成像性能較優能滿足設計要求，如圖7所示。
這裡，本領域的技術人員應容易理解，在本發明的該較佳實施例中，所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β為一變數，其具體取值取決於所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α以及所述光學鏡頭222的自身光學參數。同時，在具體實施中，通過調節所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β，可對所述接收模組22的成像性能進行調節優化，從而可在獲得滿足設 計要求的成像效果之後，確定所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β的最終取值。
為了進一步地優化所述眼球追蹤系統20的性能，對所述眼球追蹤系統20的光源類型與佈置方式進行調整。在本發明的該較佳實施例中，所述眼球追蹤系統20包括8個所述光源21，其中，8個所述光源21周向地佈置於所述VR光學透鏡12的周緣，用於投射該檢測光300至該使用者的眼球30。特別地，如圖8和如圖9所示，每一所述光源21包括多路光纖211和一非可見光光源212(例如，近紅外光源或紅外光源)，所述多路光纖211分別連通於所述非可見光源，以使得在所述非可見光源被導通後，分別於所述多路光纖211的每一光纖211處產生該檢測光300，實現多點照明。
值得一提的是，相較于現有的LED(Light Emitting Diode)光源，由多路光纖211所形成的光源束具有相對較小的尺寸，從而有效地降低了所述光源對人眼視覺範圍的限定，減少視覺盲區。此外，由多路光纖211替代LED光源組，可有效地降低成本，使得產品更加輕便美觀。
如前所述，對於頭戴式可視設備而言，其需根據人眼的近視或遠視程度進行匹配調節，以滿足用戶體驗和需求。特別地，在本發明的該較佳實施例中，如圖10所示，所述螢幕11相對所述VR光學透鏡12可移動，以使得可通過改變所述螢幕11和所述VR光學透鏡12之間的距離，調節該使用者的眼球30的屈光度。應領會的是，相較于現有的固定反射鏡和接收模組22的相對位置保持不變，移動VR光學透鏡12的調節人眼屈光度的技術方案，在移動螢幕11的技術方案中，所述VR光學透鏡12、所述接收模組22和該使用者眼球之間的相對位置關係保持不變，即，所述眼球追蹤系統20的光路保持不變，增加了所述頭戴式可視設備的整體穩定性。
相應地，根據本發明的又一方面，本發明還提供一用於頭戴式可視設備的屈光度調整方法，其包括：移動螢幕11以調節所述螢幕11與VR光學透鏡12之間的距離，以改變使用者的眼球的屈光度。其中，在本發明的一實施例中，眼球追蹤系統20集成於所述VR光學透鏡12，以使得所述VR光學透鏡12和所述眼球追蹤系統20具有一體式結構。
進一步地，所述眼球追蹤系統20與所述VR光學透鏡12集成地設置，以通過眼球追蹤系統20與所述VR光學透鏡12結構上的穩定關係，確保所述眼球追蹤系統20和所述VR光學透鏡12的光學性能的穩定性。與此同時，這樣的集成方式有利於消除在裝配過程中所引起的誤差，減輕重量且利於後期維護。
綜上，通過改變眼球追蹤系統20的光路設計，以使得用於檢測人眼視線方向的檢測光300不經過VR光學透鏡12而直接被所述接收模組22所接收，從而眼球追蹤系統20的光路與虛擬場景的投射光路相對保持獨立的技術原理和技術效果被闡明。
示例性眼球追蹤系統
如圖4至圖10所示，根據本發明的另一方面，本發明還提供一用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統20，其中，所述眼球追蹤系統20的作用在於檢測使用者眼球的視線方向。如圖4所示，所述眼球追蹤系統20包括至少一光源21和一接收模組22，其中，所述至少一光源21用於投射一檢測光300至該使用者的眼球30，所述接收模組22用於接收自該使用者的眼球30處所反射的該檢測光300，以檢測該使用者的眼球30的視線方向。在通過眼球追蹤系統20獲得該使用者的眼球30視線方向之後，基於此，對應地調節虛擬場景圖像的顯示位置，以確保所該虛擬場景圖像始終位於人眼視場範圍內。
如圖4所示，在本申請的該較佳實施例中，所述眼球追蹤系統20的光路設計發生調整，以使得用於檢測人眼視線方向的檢測光300不經過VR光學透鏡12而直接被所述接收模組22所接收。通過這樣的方式，使得眼球追蹤系統20與虛擬場景成像系統10之間相對保持獨立，以實現降低眼球追蹤系統20的設計難度，簡化其結構，且利於提高所述頭戴式可視設備整體性能穩定性等技術目的。
更具體地說，在本發明的該較佳實施例中，所述眼球追蹤系統20的所述接收模組22被設置朝向該使用者的眼球30，從而自該使用者的眼球30處所反射的該檢測光300能夠直接被所述接收模組22所接收，而無需像現有技術中需透過VR光學透鏡12，並經過反射鏡的作用。這樣，對於所述VR光學透鏡12而言，在本發明中，其僅需對所述螢幕11所投射的可見光波段進行處理，而無需對用於實現眼球追蹤的非可見光波段進行處理。換言之，在本發明的該較佳實施例中，由於所述VR光學透鏡12的光學設計難度降低，結構簡化。
進一步地，藉由所述接收模組22的特殊佈置方式，所述眼球追蹤系統20的光路由光源-人眼-VR光學透鏡-反射鏡-接收模組被簡化為所述至少一光源21-該使用者的眼球30-所述接收模組22。從光路的簡化可看出，所述眼球追蹤系統20所涉及的元件數量減少。本領域的技術人員應容易理解，對於單一系統而言，系統的元件越少，系統內元件與元件之間的配合精度更容易確保且系統相對更為穩定。換言之，所述眼球追蹤系統20的設計難度、組裝難度，整體結構的複雜度等都得以降低。
更為重要的是，通過所述眼球追蹤系統20的光路的調整，使得所述虛擬場景成像系統10與所述眼球追蹤系統20在結構上保持獨立。換言之，從結構層面來看，所述虛擬場景成像系統10與所述眼球追蹤系統20是完 全獨立的兩個系統。本領域的技術人員應知曉，對於多系統而言，系統與系統之間的關聯度越低，多系統的穩定程度越高。對應到本發明中，所述眼球追蹤系統20與所述虛擬場景成像系統10沒有共用的元器件(所述VR光學透鏡12)。即，所述眼球追蹤系統20與所述虛擬場景成像系統10之間的關聯度低，因此，由所述眼球追蹤系統20和所述虛擬場景成像系統10所構成的所述頭戴式可視設備的穩定性能高。
進一步地，如圖4所示，在本發明的該較佳實施例中，所述接收模組22被設置朝向該使用者的眼球30並位於所述VR光學透鏡12的側部(頂側或底側)，處於這樣的位置，以能夠直接接收從使用者的眼球處所反射的該檢測光300。這裡，應觀察到，設定該使用者的眼球30所設定的軸線為物方光軸X，以及，所述接收模組22的光學鏡頭222所設定的軸線為感光光軸Y，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間存在夾角α。換言之，該使用者的眼球30相對所述接收模組22處於傾斜狀態。
本領域的技術人員應知曉，如圖5所示，當物方光軸X與所述感光光軸Y存在夾角時，如果所述接收模組22的感光晶片221與所述感光光軸Y之間以垂直關係進行佈置(常規攝像模組的佈置方式)，那麼所述接收模組22的理想成像面與所述感光晶片221所設定的平面之間存在一定的夾角。從圖像表現上來看，形成於所述感光晶片221的人眼圖像的清晰度較低。
為了提高所述接收模組22的成像品質，可採用的第一種方案為：提高所述接收模組22的場曲參數，以使得所述接收模組22的理想成像面在場曲的作用下能與所述感光晶片221所設定的平面重合。然而，通過改變場曲參數提高所述接收模組22的技術方案，增加了所述接收模組22的光學設計難度，且對成像品質的提升作用不大。
優選地，在本發明的該較佳實施例中，採用第二種方案：改變所述感光晶片221所設定的平面相對於所述感光光軸Y的相對位置關係，即，改變所述感光晶片221與所述光學鏡頭222之間的相對位置關係，以使得所述感光晶片221所設定的平面與理想成像面之間盡可能地處於重疊的狀態。換言之，在第二種方案中，所述感光晶片221相對所述光學鏡頭222的位置被調整，以使得所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間處於非平行狀態，即，所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間存在夾角β。由於所述感光晶片221與所述光學鏡頭222之間處於傾斜狀態，為了便於理解和說明，將第二種方案定義為“成像面傾斜”的方案。
應領會的是，相對於第一種方案，在“成像面傾斜”的方案中，所述接收模組22的設計難度得以大幅降低。同時，隨著所述接收模組22的視場角的增加，成像點位置愈加密集，這樣，在一定程度上補償了所述接收模組22的相對照度。
在具體光學設計中，所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β，取決於所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α以及所述光學鏡頭222的自身參數。換言之，要求解所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β，需預先求解所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α以及所述光學鏡頭222的光學參數。
這裡，當採用“成像面傾斜”的方案時，所述接收模組22的所述光學鏡頭222的光學設計可得以簡化。特別地，在本發明的該較佳實施例中，所述接收模組22的所述光學鏡頭222可被實施為單片非球面光學透鏡 2221，其具有特定的焦度等光學參數。這裡，應領會的是，所述光學鏡頭222所設定的平面為由所述非球面光學透鏡2221所界定的平面。
此外，在本發明的該較佳實施例中，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α，取決於該使用者的眼球30與所述VR光學透鏡12之間的距離，該使用者的眼球30的預設直徑，以及，所述VR光學透鏡12與所述接收模組22之間的距離。通常，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α的範圍為：25.0°~40.0°。圖6和7圖示了依據本發明該較佳實施例的所述眼球追蹤系統20的特定光學系統設計的示意圖。如圖6所示，該使用者的眼球30與所述VR光學透鏡12之間的距離被設定為15mm，使用者的眼球的預設直徑被設定為35mm，以及，所述VR光學透鏡12與所述接收模組22之間的距離被設定為30mm，在這3個參數的限定下同時考慮到所述接收模組22的自身光學參數，最終設定，所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α為32°。
由此，在設定所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α為32°，並確定所述接收模組22的所述光學鏡頭222實施為單片非球面光學透鏡的前提下，經檢測優化獲知：在所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β為20°時，所述接收模組22的成像性能較優能滿足設計要求，如圖7所示。
這裡，本領域的技術人員應容易理解，在本發明的該較佳實施例中，所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β為一變數，其具體取值取決於所述物方光軸X與所述感光光軸Y之間的夾角α以及所述光學鏡頭222的自身光學參數。同時，在具體實施中，通過調節所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β，可對所述接收模組22的成像性能進行調節優化，從而可在獲得滿足設 計要求的成像效果之後，確定所述感光晶片221所設定的平面與所述光學鏡頭222所設定的平面之間的夾角β的最終取值。
為了進一步地優化所述眼球追蹤系統20的性能，對所述眼球追蹤系統20的光源類型與佈置方式進行調整。在本發明的該較佳實施例中，所述眼球追蹤系統20包括8個所述光源21，其中，8個所述光源21周向地佈置於所述VR光學透鏡12的周緣，用於投射該檢測光300至該使用者的眼球30。特別地，如圖8和如圖9所示，每一所述光源21包括多路光纖211和一非可見光光源212(例如，近紅外光源或紅外光源)，所述多路光纖211分別連通於所述非可見光源，以使得在所述非可見光源被導通後，分別於所述多路光纖211的每一光纖211處產生該檢測光300，實現多點照明。
值得一提的是，相較于現有的LED(Light Emitting Diode)光源，由多路光纖211所形成的光源束具有相對較小的尺寸，從而有效地降低了所述光源對人眼視覺範圍的限定，減少視覺盲區。此外，由多路光纖211替代LED光源組，可有效地降低成本，使得產品更加輕便美觀。
根據本發明的又一方面，本發明還提供一用於頭戴式可視設備的眼球追蹤方法，其包括：投射一檢測光300至使用者的眼球；以及通過一接收模組22，接收自該使用者的眼球30處所反射的該檢測光300，以檢測該使用者的眼球30的視線方向，其中，所述接收模組22位於所述VR光學透鏡12的側部並朝向該使用者的眼球30，以使得自該使用者的眼球30處所反射的該檢測光300直接被所述接收模組22所接收。
這裡，雖然上文中，以所述眼球追蹤系統20應用于頭戴式可視設備為示例進行了說明。但是，本領域的技術人員應可以理解，根據本發明實 施例的所述眼球追蹤系統20還可以應用於其他VR產品，甚至於VR產品等領域。對此，並不為本發明所局限。
本領域的技術人員應理解，上述描述及附圖中所示的本發明的實施例只作為舉例而並不限制本發明。本發明的目的已經完整並有效地實現。本發明的功能及結構原理已在實施例中展示和說明，在沒有背離所述原理下，本發明的實施方式可以有任何變形或修改。
10:虛擬場景成像系統
11:螢幕
12:VR光學透鏡
20:眼球追蹤系統
21:光源
22:接收模組
30:使用者的眼球
300:檢測光

Claims (19)

  1. 一種頭戴式可視設備，其特徵在於，包括：一螢幕，用於投射一虛擬場景圖像至使用者的眼球，一VR(Virtual Reality)光學透鏡，用於在所述螢幕和該使用者的眼球之間構建一光學路徑，以使得所述螢幕所投射的所述虛擬場景圖像能夠透過所述VR光學透鏡抵至該使用者的眼球；以及一眼球追蹤系統，用於檢測該使用者的眼球的視線方向，以基於該視線方向調整所述虛擬場景圖像位於所述螢幕的顯示位置，其中，所述眼球追蹤系統包括：至少一光源，用於投射一檢測光至該使用者的眼球；以及一接收模組，用於接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於所述VR光學透鏡的側部，並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收，其中所述接收模組的一光學鏡頭包括至少一光學透鏡和一感光晶片，其中所述光學鏡頭用於接收該使用者的眼球處所反射的該檢測光，其中所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間具有一夾角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式可視設備，其中，所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角的大小取決於該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角和所述至少一光學透鏡自身的光學參數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的頭戴式可視設備，其中，該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角取決於該使用者的眼球與所述VR光學透鏡之間的距離，該使用者的眼球的預設直徑，以及，所述VR光學透鏡與所述接收模組之間的距離。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式可視設備，其中，該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角的範圍為：25.0°~40.0°。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的頭戴式可視設備，其中，設定該使用者眼球所設定的光軸和所述接收模組所設定的光軸之間的夾角為32°。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的頭戴式可視設備，其中，設定所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角為20°。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項任一項所述的頭戴式可視設備，其中，所述接收模組的所述至少一光學透鏡被實施為單片非球面光學透鏡。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式可視設備，其中，所述眼球追蹤系統集成於所述VR光學透鏡，以使得所述VR光學透鏡和所述眼球追蹤系統具有一體式結構。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式可視設備，其中，所述至少一光源包括8個所述光源，其中，8個所述光源周向地佈置於所述VR光學透鏡的周緣，用於投射該檢測光至該使用者的眼球。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的頭戴式可視設備，其中，每一所述光源包括多路光纖和一非可見光光源，所述多路光纖分別連通於所述非可見 光源，以使得在所述非可見光源被導通後，分別於所述多路光纖的每一光纖處產生該檢測光。
  11. 如申請專利範圍第1項至第6項任一項所述的頭戴式可視設備，其中，所述螢幕相對所述VR光學透鏡可移動，以通過改變所述螢幕和所述VR光學透鏡之間的距離，調節該使用者的眼球的屈光度。
  12. 一種用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統，其特徵在於，包括：至少一光源，用於投射一檢測光至該使用者的眼球；以及一接收模組，用於接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於該頭戴式可視設備的VR光學透鏡的側部，並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收，其中所述接收模組包括一光學鏡頭和一感光晶片，其中所述光學鏡頭包括至少一光學透鏡，用於接收該使用者的眼球處所反射的該檢測光，其中所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間具有一夾角。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的眼球追蹤系統，其中，所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角的大小取決於該使用者眼球設定的物方光軸和所述接收模組設定的感光光軸之間的夾角和所述至少一光學透鏡自身的光學參數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的眼球追蹤系統，其中，該使用者眼球所設定的物方光軸和所述接收模組所設定的感光光軸之間的夾角取決於該 使用者的眼球與該VR光學透鏡之間的距離，該使用者的眼球的預設直徑，以及，該VR光學透鏡與所述接收模組之間的距離。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的眼球追蹤系統，其中，設定該使用者眼球所設定的光軸和所述接收模組所設定的光軸之間的夾角為32°，以及，設定所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間的夾角為20°。
  16. 如申請專利範圍第12項至第15項任一項所述的眼球追蹤系統，其中，所述接收模組的所述至少一光學透鏡被實施為單片非球面光學透鏡。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的眼球追蹤系統，其中，所述至少一光源包括8個所述光源，其中，8個所述光源周向地佈置于該頭戴式可視設備的VR光學透鏡的周緣，用於投射該檢測光至該使用者的眼球，其中，每一所述光源包括多路光纖和一非可見光光源，所述多路光纖分別連通於所述非可見光源，以使得在所述非可見光源被導通後，分別於所述多路光纖的每一光纖處產生該檢測光。
  18. 一種用於頭戴式可視設備的眼球追蹤方法，其特徵在於，包括：投射一檢測光至使用者的眼球；以及通過一接收模組，接收自該使用者的眼球處所反射的該檢測光，以檢測該使用者的眼球的視線方向，其中，所述接收模組位於該頭戴式可視設備的VR光學透鏡的側部並朝向該使用者的眼球，以使得自該使用者的眼球處所反射的該檢測光直接被所述接收模組所接收，其中所述接收模組包括一光學鏡頭和一感光晶片，其中所述光學鏡頭包括至少一光學透鏡，用於接收該使用者的眼球處所反 射的該檢測光，其中所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間具有一夾角。
  19. 一種用於頭戴式可視設備的屈光度調整方法，其特徵在於，包括：移動螢幕以調節所述螢幕與VR光學透鏡之間的距離，以改變使用者的眼球的屈光度，其中眼球追蹤系統集成於所述VR光學透鏡，以使得所述VR光學透鏡和所述眼球追蹤系統具有一體式結構，其中所述眼球追蹤系統的接收模組包括一光學鏡頭和一感光晶片，其中所述光學鏡頭包括至少一光學透鏡，用於接收該使用者的眼球處所反射的該檢測光，其中所述感光晶片所設定的平面與所述至少一光學透鏡所設定的平面之間具有一夾角。
TW108129142A 2018-08-20 2019-08-15 頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統 TWI716968B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810945241.1 2018-08-20
CN201810945241.1A CN110850594B (zh) 2018-08-20 2018-08-20 头戴式可视设备及用于头戴式可视设备的眼球追踪***

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202014757A TW202014757A (zh) 2020-04-16
TWI716968B true TWI716968B (zh) 2021-01-21

Family

ID=69592247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108129142A TWI716968B (zh) 2018-08-20 2019-08-15 頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11451762B2 (zh)
CN (1) CN110850594B (zh)
TW (1) TWI716968B (zh)
WO (1) WO2020038015A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI792033B (zh) * 2020-08-10 2023-02-11 見臻科技股份有限公司 穿戴式眼動追蹤系統
CN111983803A (zh) * 2020-08-19 2020-11-24 业成科技（成都）有限公司 眼球追踪模组及电子设备
TWI768623B (zh) 2020-12-28 2022-06-21 財團法人工業技術研究院 頭戴式眼動追蹤系統
CN113589940B (zh) * 2021-08-17 2023-11-14 业成科技（成都）有限公司 人眼追踪***和虚拟现实显示装置
CN114296233A (zh) * 2022-01-05 2022-04-08 京东方科技集团股份有限公司 一种显示模组及其制作方法、头戴式显示设备
CN118111680A (zh) * 2024-04-26 2024-05-31 甬江实验室 头显设备校准方法、装置和头显设备校准***

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105929534A (zh) * 2015-10-26 2016-09-07 北京蚁视科技有限公司 一种屈光度自适应头戴式显示装置
US20170160518A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-08 Oculus Vr, Llc Focus adjusting virtual reality headset
CN206584117U (zh) * 2017-02-27 2017-10-24 阿里巴巴集团控股有限公司 虚拟现实头戴设备
TWI622806B (zh) * 2017-04-11 2018-05-01 宏碁股份有限公司 虛擬實境顯示裝置

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996000406A1 (fr) * 1994-06-23 1996-01-04 Seiko Epson Corporation Dispositif de presentation monte sur des lunettes
SE524003C2 (sv) * 2002-11-21 2004-06-15 Tobii Technology Ab Förfarande och anläggning för att detektera och följa ett öga samt dess blickvinkel
JP4560368B2 (ja) * 2004-10-08 2010-10-13 キヤノン株式会社 眼検出装置および画像表示装置
JP4944498B2 (ja) * 2006-05-26 2012-05-30 キヤノン株式会社 撮像光学系
TWI505260B (zh) * 2013-07-30 2015-10-21 Univ Nat Chiao Tung 頭戴式人眼追蹤系統
TWI533224B (zh) * 2013-11-14 2016-05-11 原相科技股份有限公司 眼球偵測裝置、瞳孔偵測方法與虹膜辨識方法
JP2015165610A (ja) * 2014-02-28 2015-09-17 株式会社リコー 撮像装置、撮像システムおよび撮像方法
US10445573B2 (en) * 2014-06-27 2019-10-15 Fove, Inc. Gaze detection device
US10523852B2 (en) * 2015-06-14 2019-12-31 Facense Ltd. Wearable inward-facing camera utilizing the Scheimpflug principle
CN204832688U (zh) * 2015-08-03 2015-12-02 众景视界（北京）科技有限公司 全息智能眼镜
CN106303208B (zh) * 2015-08-31 2019-05-21 北京智谷睿拓技术服务有限公司 图像采集控制方法和装置
CN106254859B (zh) * 2016-01-18 2018-04-13 北京智谷睿拓技术服务有限公司 光场显示控制方法和装置、光场显示设备
CN105929963B (zh) * 2016-05-11 2019-04-30 北京蚁视科技有限公司 一种用于追踪眼球位置的方法及检测装置
CN107664840A (zh) * 2016-07-28 2018-02-06 中强光电股份有限公司 头戴式显示装置
CN106526857B (zh) * 2016-12-09 2019-03-22 珠海市魅族科技有限公司 调焦方法和装置
CN106873158A (zh) * 2017-02-27 2017-06-20 阿里巴巴集团控股有限公司 虚拟现实头戴设备
CN106908951A (zh) * 2017-02-27 2017-06-30 阿里巴巴集团控股有限公司 虚拟现实头戴设备
US10979685B1 (en) * 2017-04-28 2021-04-13 Apple Inc. Focusing for virtual and augmented reality systems
CN207181829U (zh) * 2017-09-25 2018-04-03 京东方科技集团股份有限公司 虚拟现实头盔
CN111263925B (zh) * 2017-09-28 2022-06-14 苹果公司 用于使用事件相机数据的眼动跟踪的方法和设备
US11073906B1 (en) * 2020-01-27 2021-07-27 Valve Corporation Eye tracking system for head-mounted display devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105929534A (zh) * 2015-10-26 2016-09-07 北京蚁视科技有限公司 一种屈光度自适应头戴式显示装置
US20170160518A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-08 Oculus Vr, Llc Focus adjusting virtual reality headset
CN206584117U (zh) * 2017-02-27 2017-10-24 阿里巴巴集团控股有限公司 虚拟现实头戴设备
TWI622806B (zh) * 2017-04-11 2018-05-01 宏碁股份有限公司 虛擬實境顯示裝置

Also Published As

Publication number Publication date
TW202014757A (zh) 2020-04-16
US11451762B2 (en) 2022-09-20
US20210314554A1 (en) 2021-10-07
WO2020038015A1 (zh) 2020-02-27
CN110850594B (zh) 2022-05-17
CN110850594A (zh) 2020-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI716968B (zh) 頭戴式可視設備及用於頭戴式可視設備的眼球追蹤系統
US10534173B2 (en) Display with a tunable mask for augmented reality
US9720228B2 (en) Collimating display with pixel lenses
WO2020131810A1 (en) Holographic in-field illuminator
US12001030B1 (en) Shadow-matched Fresnel lens doublet for reduced optical artifacts
KR20220093041A (ko) 깊이를 갖는 오브젝트를 디스플레이하기 위한 시스템 및 방법
US20230118284A1 (en) Augmented and virtual reality display systems with correlated in-coupling and out-coupling optical regions for efficient light utilization
WO2020131816A1 (en) Holographic pattern generation for head-mounted display (hmd) eye tracking using a diffractive optical element
US20230213772A1 (en) Display systems with collection optics for disparity sensing detectors
US20230393399A1 (en) Zonal lenses for a head-mounted display (hmd) device
US10514544B1 (en) Tilted displays for a wide field of view
US11776219B2 (en) Augmented reality glasses
US20230209032A1 (en) Detection, analysis and correction of disparities in a display system utilizing disparity sensing port
US11743446B2 (en) Head-mounted viewable device and eye-tracking system for use in head-mounted viewable device
US20240069347A1 (en) System and method using eye tracking illumination
TWI842461B (zh) 顯示一個具有景深的物體的系統
TWI802826B (zh) 顯示一個具有景深的物體的系統與方法
US11927758B1 (en) Multi-laser illuminated mixed waveguide display with volume Bragg grating (VBG) and mirror
AU2015249168B2 (en) Collimating display with pixel lenses
TW202338443A (zh) 最大化視野範圍的混合波導
TW201834607A (zh) 具有瞳孔追蹤功能的影像投影裝置及其瞳孔位置追蹤裝置