自动调焦头戴式显示装置的制作方法

本发明涉及一种自动调焦头戴式显示装置，特别是涉及一种具有眼球追踪器，通过检测双眼聚焦位置自动调整成像位置的头戴式显示装置。

背景技术：

近年来，在头戴式显示装置的不断发展中，头戴式显示装置可将显示的图像配合用户头上穿戴的头盔或眼镜，投射至头戴式装置的显示屏幕上，形成用户可见的图像，由于靠近用户的眼球，这些成像将能以较小的显示区域即达到宽广的视觉效果，让用户利用头戴式显示装置看到要呈现的图像。

更进一步地，头戴式显示装置利用光学元件的设置，可在用户眼前形成虚拟的图像，而这些图像，不论是建立虚拟图像以达成的虚拟实境(Virtual reality)，或者是附加于在现有图像上所建立的扩增实境(Augmented reality)，都是头戴式显示器欲进一步发展的方向。但是现有的头戴式显示装置，在形成虚像时均为定焦设计，亦即在用户眼球前方的固定距离显示此虚像画面，这种设计让用户能在固定的焦点上看到虚像画面，但缺点是用户长期聚焦在同一距离上的画面，会造成眼球的疲惫感，若是在看穿头戴式显示器的景像上加上虚像画面的扩增实境，实际图像与虚像位置相距过大，人眼在调焦所需费的时间也较大，同样容易造成眼球的疲惫，因此在实际使用上有其不便之处。

综上所述，本发明思索并设计一种自动调焦头戴式显示装置，以针对现有技术的缺失加以改善，进而增进产业上的实施利用。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的问题，本发明实施例的目的在于，提供一种自动调焦头戴式显示装置，以解决现有的头戴式显示装置在显示图像时，仅能成像在固定距离的问题。

根据本发明的目的，提出一种自动调焦头戴式显示装置，其包括第一成 像器以及眼球追踪器。其中，第一成像器产生图像供用户观察，且第一成像器包括第一显示元件、第一光学元件以及第一控制器。第一显示元件投射图像的图像光线至用户的其中一个眼球。第一光学元件设置于图像光线投射的路径上，调整图像光线的汇集或发散，使图像呈现在用户眼球前方的成像位置上。第一控制器连接于第一光学元件，控制第一光学元件的聚焦程度以调整成像位置。眼球追踪器设置于面对用户双眼的位置，同时检测左眼的左眼转动角度及右眼的右眼转动角度，结合左眼转动角度及右眼转动角度，判定用户双眼的聚焦位置。眼球追踪器连接于第一控制器，通过对比聚焦位置与成像位置，调整第一光学元件，使图像的成像位置移至聚焦位置。

优选地，眼球追踪器可包括第一眼球追踪器及第二眼球追踪器，分别对应用户的左右两眼设置，各自检测左眼转动角度及右眼转动角度，再结合左眼转动角度及右眼转动角度判定聚焦位置。

优选地，第一光学元件可包括液晶透镜、正透镜、负透镜或其组合。

优选地，自动调焦头戴式显示装置可进一步包括第二成像器，且第二成像器包括第二显示元件、第二光学元件以及第二控制器。其中，第二显示元件投射图像光线至用户的另一个眼球。第二光学元件设置于图像光线投射的路径上，调整图像光线的汇集或发散，使图像呈现在成像位置上。第二控制器连接于第二光学元件，调整第二光学元件的聚焦程度，进而调整成像位置。眼球追踪器还连接于第二控制器，第一控制器及第二控制器通过成像位置与聚焦位置对比的结果，各自调整第一光学元件及第二光学元件，使成像位置移至聚焦位置。

优选地，眼球追踪器可包括第一眼球追踪器及第二眼球追踪器，分别对应用户的左右两眼设置，各自检测左眼转动角度及右眼转动角度，再结合左眼转动角度及右眼转动角度判定聚焦位置。

优选地，第二光学元件可包括液晶透镜、正透镜、负透镜或其组合。

根据本发明的另一目的，提出一种自动调焦头戴式显示装置，其包括第一光源、第一偏振分光镜、第一显示元件、第二偏振分光镜、第一1/4波长板、第一光学元件以及眼球追踪器。其中，光源提供光线，第一偏振分光镜设置于光线的传递路径上，将光线反射。第一显示元件用于接收第一偏振分光镜所反射的光线，并投射图像光线穿透第一偏振分光镜。第二偏振分光镜设置于图像光线的传递路径上，使图像光线穿透第二偏振分光镜。第一1/4 波长板设置于图像光线的传递路径上，使图像光线穿透第一1/4波长板，并通过第一反射镜反射图像光线后，再次沿着原传递路径回到第二偏振分光镜，图像光线经由第一1/4波长板改变偏振极性后，由第二偏振分光镜反射至用户其中一个眼球。第一光学元件设置于第一偏振分光镜与第二偏振分光镜之间，通过第一控制器调整第一光学元件，使图像光线汇集或发散，呈现在用户眼球前方的成像位置上。眼球追踪器设置于面对用户双眼的位置，分别检测左眼的左眼转动角度及右眼的右眼转动角度，结合左眼转动角度及右眼转动角度，判定用户双眼的聚焦位置。眼球追踪器连接于第一控制器，通过对比聚焦位置与成像位置，调整第一光学元件，使图像的成像位置移至聚焦位置。

优选地，眼球追踪器可包括第一眼球追踪器及第二眼球追踪器，分别对应用户的左右两眼设置，各自检测左眼转动角度及右眼转动角度，再结合左眼转动角度及右眼转动角度判定聚焦位置。

优选地，自动调焦头戴式显示装置可进一步包括第一摄像器，设置对应于第一偏振分光镜，并电性连接第一显示元件，第一摄像器接收由第二偏振分光镜及第一偏振分光镜反射的景物光线，转换成第一显示元件投射的图像光线。

优选地，第一摄像器可包括电荷耦合装置。

优选地，自动调焦头戴式显示装置可进一步包括第二光源、第三偏振分光镜、第二显示元件、第四偏振分光镜、第二1/4波长板以及第二光学元件。第二光源提供光线，第三偏振分光镜设置于光线的传递路径上，将光线反射。第二显示元件用于接收第三偏振分光镜所反射的光线，并投射图像光线穿透第三偏振分光镜。第四偏振分光镜设置于图像光线的传递路径上，使图像光线穿透第四偏振分光镜。第二1/4波长板设置于图像光线的传递路径上，使图像光线穿透第二1/4波长板，并通过第二反射镜反射图像光线后，再次沿着原传递路径回到第四偏振分光镜，图像光线经由第二1/4波长板改变偏振极性后，由第四偏振分光镜反射至用户的另一个眼球。第二光学元件设置于第三偏振分光镜与第四偏振分光镜之间，通过第二控制器调整第二光学元件，使图像光线汇集或发散，呈现在成像位置上。眼球追踪器还连接于第二控制器，第一控制器及第二控制器通过成像位置与聚焦位置对比的结果，各自调整第一光学元件及第二光学元件，使成像位置移至聚焦位置。

优选地，眼球追踪器可包括第一眼球追踪器及第二眼球追踪器，分别对应用户的左右两眼设置，各自检测左眼转动角度及右眼转动角度，再结合左眼转动角度及右眼转动角度判定聚焦位置。

优选地，自动调焦头戴式显示装置可进一步包括第二摄像器，设置对应于第三偏振分光镜，并电性连接第二显示元件，第二摄像器接收由第四偏振分光镜及第三偏振分光镜反射的景物光线，转换成第二显示元件投射的图像光线。

优选地，第二摄像器可包括电荷耦合装置。

承上所述，本发明的自动调焦头戴式显示装置，具有一个或多个下述优点：

(1)此自动调焦头戴式显示装置能利用成像装置在头戴式显示装置上形成虚像画面，提供用户虚拟实境或扩充实境的成像效果，增加头戴式显示装置的多样性。

(2)此自动调焦头戴式显示装置能利用眼球追踪器同时检测双眼的转动角度以判断双眼的聚焦位置，进而针对聚焦位置自动调整头戴式显示装置的光学元件，使成像位置移至聚焦位置，避免用户长期聚焦在同一位置所造成眼睛的疲劳，提升使用的舒适度。

(3)此自动调焦头戴式显示装置能针对双眼的差异分别调整各自的光学元件，使此装置能适用于所有用户，进而提高装置推广上的普及程度。

附图说明

图1为本发明的自动调焦头戴式显示装置的示意图。

图2为本发明的另一自动调焦头戴式显示装置的示意图。

图3为本发明的又一自动调焦头戴式显示装置的示意图。

图4为本发明的再一自动调焦头戴式显示装置的示意图。

附图标记说明

10：第一成像器

11：眼球追踪器

12、32、52：第一显示元件

13、35、55：第一光学元件

13a：一般透镜

13b：液晶透镜

14、38、58：第一控制器

15a、15b、37、47、57：眼球

16a、39a、59a：成像位置

16b、39b、59b：聚焦位置

20：第二成像器

21a、36、56：第一眼球追踪器

21b、46：第二眼球追踪器

22、42：第二显示元件

23、45：第二光学元件

24、48：第二控制器

30、50：第一光源

31、51：第一偏振分光镜

33、53：第二偏振分光镜

34、54：第一1/4波长板

34a、54a：第一反射镜

40：第二光源

41：第三偏振分光镜

43：第四偏振分光镜

44：第二1/4波长板

44a：第二反射镜

55a：正透镜

55b：负透镜

60：摄像器

具体实施方式

为了便于理解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的效果，将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图的比例与配置关系解读、局限本发明于实际 实施上的保护范围，合先叙明。

请参阅图1，其为本发明的自动调焦头戴式显示装置的示意图。图中，自动调焦头戴式显示装置包括第一成像器10以及眼球追踪器11。第一成像器10包括第一显示元件12、第一光学元件13以及第一控制器14，第一成像器10设置于用户的设置在头戴式装置上，例如眼镜镜片上或安全帽的镜片上，头戴式显示装置面对用户双眼的眼球15a、15b，而第一成像器10则面对用户的双眼的其中一个眼球15a，可为用户的左眼或右眼，提供用户观看所要呈现的图像。第一成像器10呈现图像的方式是由第一显示元件12投射图像的光线，经过第一光学元件13后达到用户的眼球15a，将图像呈现于用户前方的成像位置16a。此处的第一光学元件13包括一般透镜13a及液晶透镜13b，分别连接于第一控制器14，一般透镜13a可为正透镜(Positive Lens)及负透镜(Negative Lens)的透镜组合，由第一控制器14操作透镜的位移来改变聚焦位置，而液晶透镜13b可透过调变方式调整穿透透镜的图像光线，同样由第一控制器14控制光线的聚集或发散，进而改变图像光线的成像位置16a。此处的第一光学元件13可为上述透镜其中之一或者为上述透镜的组合，改变成像位置16a的设计，相比于现有的头戴式显示装置，其光学透镜位置固定无法改变成像位置16a，造成用户长时间聚焦相同位置所产生眼睛的疲劳，将有很大的改善功效。

上述第一光学元件13控制成像位置16a的方式，是借助于眼球追踪器11，眼球追踪器11可为摄像装置或是光线感应装置，设置正对于用户的双眼眼球15a、15b，例如设置在第一光学元件12与第一光学元件13之间。眼球追踪器11同时追踪双眼的眼球15a、15b，检测用户的左眼转动角度及右眼转动角度，由两眼的转动角度共同判定用户双眼的聚焦位置16b。眼球追踪器11连接于第一控制器14，将检测的聚焦位置16b传送至第一控制器14，比较原有成像位置16a与聚焦位置16b，由第一控制器14调整第一光学元件13的聚焦，例如调整一般透镜13a前后的位置，或是调整液晶透镜13b内液晶分子的排列，使图像原有的成像位置16a移动至聚焦位置16b。由于此头戴式显示装置的成像时并非位于固定位置，因此用户可在眼球转动改变焦点的位置时，直接轻松地看到所要呈现的图像，降低用户眼睛须不停调焦的负担。

请参阅图2，其为本发明的另一自动调焦头戴式显示装置的示意图。图中与图1实施例相同的部分将不再重复描述，与图1的实施例不同处在于， 相对于第一成像器10及第一眼球追踪器21a，本实施例的自动调焦头戴式显示装置可设置第二成像器20及第二眼球追踪器21b，第二成像器20包括第二显示元件22、第二光学元件23以及第二控制器24，第一成像器10与第二成像器20分别面对用户的双眼眼球15a、15b。第二显示元件22投射图像的光线，经过第二光学元件23后达到用户的眼球15b，将图像呈现于用户前方的成像位置16a。第二光学元件23包括一般透镜23a及液晶透镜23b，分别连接于第二控制器24，由第二控制器24调整第二光学元件23来改变图像的成像位置16a。此处的第一光学元件13与第二光学元件23分别由第一控制器14及第二控制器24来控制，由两者的调控共同判定成像位置16a。本实施例由于在用户双眼均设置成像装置，因此对于同一图像，可利用不同成像距离产生3D立体的图像效果，而不同成像距离的控制，则仰赖第一控制器14及第二控制器24分别控制第一光学元件13及第二光学元件23来达成。

第一控制器14及第二控制器24控制的方式，同样是通过眼球追踪器来检测，此处的眼球追踪器包括第一眼球追踪器21a及第二眼球追踪器21b，但本发明不以此为限，本发明的另一实施例也可仅利用单一眼球追踪器来检测双眼的聚焦位置。在此实施例当中，第一眼球追踪器21a检测眼球15a的转动角度，第二眼球追踪器21b检测另一眼球15b的转动角度，两者结合后以双眼转动角度判定聚焦位置16b，再各自由连接的第一控制器14及第二控制器24调整光学元件。由于用户原本双眼的视力可能有所差距，因此在双眼分别调整聚焦的位置时，还可针对特定眼球的视力问题，例如近视或远视，进行必要的补偿，使成像能更清楚的呈现在双眼的前。另外，此自动调焦头戴式显示装置也可设置额外的感测装置，例如红外线感测器或陀螺仪感测器，连接至上述的第一控制器14或第二控制器24，通过感测用户使用装置的状态，如与外部景物的距离或与地面呈现的角度，进一步控制第一光学元件13及第二光学元件23，使图像的成像位置16a更能配合用户使用状态来呈现最佳的图像。

请参阅图3，其为本发明的又一自动调焦头戴式显示装置的示意图。图中，自动调焦头戴式显示装置包括第一光源30、第一偏振分光镜31、第一显示元件32、第二偏振分光镜33、第一1/4波长板34、第一光学元件35以及第一眼球追踪器36。光源30可为发光二极体(Light-Emitting Diode，LED)，提供光线经由第一偏振分光镜31反射至第一显示元件32。第一显示元件32 接收第一偏振分光镜31所反射的光线后，投射图像光线穿透第一偏振分光镜31，第一偏振分光镜31具有部分反射及部分穿透的特性，例如可将S偏极光(S-polarized light)反射，使P偏极光(P-polarized light)透射。第二偏振分光镜33设置于图像光线的传递路径上，与第一偏振分光镜同样可部分反射及部分穿透，穿透第一偏振分光镜31的图像光线也穿透第二偏振分光镜33，经由第一1/4波长板34后，通过第一反射镜34a反射图像光线，再次沿着原传递路径回到第二偏振分光镜33，1/4波长板可改变光线的偏振极性，而反射镜34a则可利用一般的凹面反射镜来反射图像光线，由于图像光线经由第一1/4波长34板改变偏振极性，因此可由第二偏振分光镜33反射至用户其中一个眼球37。

在图像光线传递的路径上，第一光学元件35设置于第一偏振分光镜31与第二偏振分光镜33之间，第一光学元件35可为液晶透镜，通过第一控制器38调整第一光学元件35，使图像光线汇集或发散，呈现在用户眼球37前方的成像位置39a上。第一眼球追踪器36设置于面对用户眼球37的位置，检测眼球转动角度，且连接于第一控制器38，通过此眼球37的转动角度，配合另一眼球47所测得的转动角度，评估用户双眼的聚焦位置39b，并经由与成像位置39a的对比，调整第一光学元件35，使图像的成像位置39a移至聚焦位置39b。

同样地，用户另一眼也同样设置第二光源40、第三偏振分光镜41、第二显示元件42、第四偏振分光镜43、第二1/4波长板44、第二光学元件45以及第二眼球追踪器46。其操作原理与前述相同，由第二光源40提供光线经由第三偏振分光镜41反射至第二显示元件42，再投射图像光线穿透第三偏振分光镜41、第四偏振分光镜43、第二1/4波长板44，直到由第二反射镜44a反射图像光线，再次沿着原传递路径回到第四偏振分光镜43，图像光线经由第二1/4波长板44板改变偏振极性后，由第四偏振分光镜43反射至用户另一个眼球47。第二光学元件45也设置于第三偏振分光镜41与第四偏振分光镜43之间，连接于第二控制器48，由第二控制器48调整第二光学元件45，使图像光线汇集或发散而呈现于成像位置39a上。最后，同样以第二眼球追踪器46检测眼球47的转动角度，配合第一眼球追踪器36检测眼球37的转动角度，取得双眼的聚焦位置39b，传送至第二控制器48来控制第二光学元件45的聚焦程度。

此处的成像，可根据双眼对焦的远近来调整成像的位置，让用户能轻松地观看图像，无须固定在固定焦距上。图像呈现不论是创造图像环境的虚拟实境，或是在穿透设计的实际景象中加上虚像的扩增实境，均能运用此自动调焦的机制，让使用头戴式显示装置能更为轻松。另外，前述实施例对于双眼视力的调整，以及增加其他感测装置来辅助光学元件焦距的调整，也均可用在本实施例的自动调焦头戴式显示装置当中。

请参阅图4，其为本发明的再一自动调焦头戴式显示装置的示意图。图中，自动调焦头戴式显示装置包括第一光源50、第一偏振分光镜51、第一显示元件52、第二偏振分光镜53、第一1/4波长板54、第一光学元件55以及第一眼球追踪器56。光线由第一光源50射出，经由第一偏振分光镜51后到达第一显示元件52，第一显示元件52投射的图像光线，则依次穿透第一偏振分光镜51、第一光学元件55以及第二偏振分光镜53，此处的第一光学元件55包括正透镜55a及负透镜55b的组合。图像光线穿过第二偏振分光镜53后，透过第一1/4波长板54，再由一反射镜54a将光线反射，重新通过第一1/4波长板54回到第二偏振分光镜53，此时图像光线由于其偏振极性已改变，因此可由第二偏振分光镜53反射而传送至用户双眼当中的一个眼球57，将图像成像在预定的成像位置59a。第一眼球追踪器56正对于眼球57，检测眼球57的转动角度，加上另一眼检测的转动角度，评估用户双眼的聚焦位置59b，进而通过第一控制器58调整正透镜55a及负透镜55b的相关位置，将原本的成像位置59a，移动至聚焦位置59b，让用户更易于在视觉焦点改变时，也能轻松地观察图像。

与前一实施例比较不同的是，本实施例进一步设置了摄像器60，其可包括电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)，与第一光源50分设于第一偏振分光镜51的两侧。此摄像器60可收集外部景物经由第二偏振分光镜53及第一偏振分光镜51反射的景物光线，经由与第一显示元件52电性连接，将外部景物的图像，由第一显示元件52投射出来，经过前述的光路，再次传到用户的眼睛57。因此，此种自动调焦头戴式显示装置可将外部景物转换为虚拟的图像呈现于头戴式装置当中，此时，外部景物的图像呈现的位置与用户双眼对焦的位置，也可以经过调整而更为契合。摄像器60将接收到景物位置的资讯与第一眼球追踪器56检测的对焦资讯比较，进一步地操作第一控制器58控制第一光学元件55，使图像呈现在最佳的位置，并随时根据用户对焦的 位置进行修正。

上述的实施例仅针对用户其中一个眼的成像装置进行描述，但本发明不以此为限，自动调焦头戴式显示装置可在双眼均设置具有摄像器的成像装置，且分别通过不同控制器分别操控光学元件的位置，进而达到调整成像位置的效果。

以上所述仅为示例，而非限制。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于本发明的保护范围中。