CN114326104B - 具有结构光检测功能的扩增实境眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，包括激光投影器、眼镜镜片、至少一第一衍射光学元件膜、不可见光相机及第二衍射光学元件膜。激光投影器用以发出至少一不可见光束与图像光束。此至少一第一衍射光学元件膜配置于眼镜镜片上。第一衍射光学元件用以将不可见光束衍射成结构光束，其中结构光束传递至待测物，以在待测物上形成光图案。不可见光相机用以拍摄待测物上的光图案。第二衍射光学元件膜配置于眼镜镜片上，第二衍射光学元件膜用以将图像光束传递至眼睛。

Description

具有结构光检测功能的扩增实境眼镜

技术领域

本发明涉及一种扩增实境显示器，尤其涉及一种具有结构光检测功能的扩增实境眼镜。

背景技术

随着显示技术的进步，虚拟现实(virtual reality)显示技术与扩增实境(augmented reality)显示技术逐渐普及，且被充分地研究与发展。虚拟现实显示技术可让用户沉浸在显示器所显示的虚拟世界，且可显示有立体感的图像。扩增实境显示技术则除了让用户可以看到虚拟世界的图像之外，还可以看到真实世界的物体，甚至使虚拟世界的图像与真实世界的物体可以达到互动的效果。

当显示器对用户的眼睛提供虚拟世界的图像(即虚像)时，若***能得知眼睛的位置与转动的角度，则可提供对应的虚像，而有更佳的显示效果。然而，欲在扩增实境显示设备加装眼球追踪器时，则有元件数量过多，***过于复杂的缺点。

发明内容

本发明是针对一种具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其将结构光的光源整合至用以显示图像的激光投影器中，因而可具有较为简单的架构及较小数量的元件。

本发明的一实施例提出一种具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，适于配戴于眼睛前方。具有结构光检测功能的扩增实境眼镜包括激光投影器、眼镜镜片、至少一第一衍射光学元件(diffractive optical element,DOE)膜、不可见光相机及第二衍射光学元件膜。激光投影器用以发出至少一不可见光束与图像光束，眼镜镜片配置于不可见光束与图像光束的路径上。此至少一第一衍射光学元件膜配置于眼镜镜片上，且位于不可见光束的路径上。第一衍射光学元件用以将不可见光束衍射成结构光束，其中结构光束传递至待测物，以在待测物上形成光图案。不可见光相机用以拍摄待测物上的光图案。第二衍射光学元件膜配置于眼镜镜片上，且位于图像光束的路径上，第二衍射光学元件膜用以将图像光束传递至眼睛。

在本发明的实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜中，激光投影器除了发出图像光束外，还发出了不可见光束，且不可见光束经由第一衍射光学元件的衍射作用而形成结构光束，其用以检测待测物。也就是说，本发明的实施例将结构光的光源整合至用以显示图像的激光投影器中，因而具有结构光检测功能的扩增实境眼镜可具有较为简单的架构及较少数量的元件，且同时达到显示图像与检测待测物的功能。

附图说明

图1为本发明的一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜的光路示意图；

图2为图1中的激光投影器的光路示意图；

图3为图1的结构光束在眼睛上形成光图案的示意图；

图4示出图2的红色光束、绿色光束、蓝色光束及红外光束在眼镜镜片上的扫描路径与位置；

图5为图1中的第一衍射光学元件膜的一个实施例的立体示意图；

图6为图1中的第一衍射光学元件的另一个实施例的立体示意图；

图7为本发明的另一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜的光路示意图；

图8为图7中的眼镜镜片从眼睛的视线方向看过去的正视示意图；

图9为图7中的激光投影器的光路示意图；

图10为另一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜中的眼镜镜片从眼睛的视线方向看过去的正视示意图；

图11为又一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜中的眼镜镜片从眼睛的视线方向看过去的正视示意图；

图12为本发明的再一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜的光路示意图。

附图标记说明

50:眼睛

60:外界物体

100、100b、100d:具有结构光检测功能的扩增实境眼镜

110:眼镜镜片

112:表面

120、120a、120b、120c、120d、124b、124c、126b、126c、128c、129c:第一衍射光学元件膜

122、122a:微结构

130:不可见光相机

140:第二衍射光学元件膜

150:眼镜架

160:处理器

200:激光投影器

201:光图案

202、202b、2021、2022:不可见光束

202’:红外光束

203:结构光束

204:图像光束

210:红外光激光源

220:激光源

221:红色光束

222:红光激光源

223:绿色光束

224:绿光激光源

225:蓝色光束

226:蓝光激光源

230:合光模块

232、234、236:分色镜

240:扫描镜

I1:光点

I2:红光扫描路径

I3:绿光扫描路径

I4:蓝光扫描路径

具体实施方式

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，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1为本发明的一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜的光路示意图，图2为图1中的激光投影器的光路示意图，而图3为图1的结构光束在眼睛形成上光图案的示意图。请参照图1至图3，本实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100适于配戴于眼睛50前方，具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100包括激光投影器200、眼镜镜片110、至少一第一衍射光学元件膜120(在图1中是以一个第一衍射光学元件膜120为例)、不可见光相机130及第二衍射光学元件膜140。激光投影器200用以发出至少一不可见光束202(在图1中是以发出一个不可见光束202为例)与图像光束204，眼镜镜片110配置于不可见光束202与图像光束204的路径上。第一衍射光学元件膜120配置于眼镜镜片110上，且位于不可见光束202的路径上。第一衍射光学元件120用以将不可见光束202衍射成结构光束203，此衍射例如是反射式衍射，其中结构光束203传递至待测物，以在待测物上形成光图案。在本实施例中，待测物为眼睛50，而结构光束203在眼睛50上形成光图案201。

不可见光相机130用以拍摄待测物上的光图案201。第二衍射光学元件膜140配置于眼镜镜片110上，且位于图像光束204的路径上，第二衍射光学元件膜140用以将图像光束204传递至眼睛50，例如是衍射至眼睛50，以使眼睛50看到激光投影器200所欲显示的图像画面，其以位于眼睛50前方的虚像来呈现。第二衍射光学元件膜140对图像光束204的衍射例如是反射式衍射。此外，在本实施例中，第一衍射光学元件膜120与第二衍射光学元件膜140配置于眼镜镜片110的朝向眼睛50的表面112上。此外，第二衍射光学元件膜140可以是一般的衍射光学元件膜或是全像光学元件(holographic optical element,HOE)膜。

在本实施例中，激光投影器包括红外光激光源210、多个不同颜色的激光源220、合光模块230及扫描镜240。红外光激光源210用以发出红外光束202’，这些不同颜色的激光源220用以发出多个不同颜色的光束。在本实施例中，这些不同颜色的激光源220包括红光激光源222、绿光激光源224及蓝光激光源226，分别发出红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225。在本实施例中，红外光激光源210与这些不同颜色的激光源220皆为激光二极管(laser diode)，而其所发出的光束皆为激光束。

合光模块230配置于红外光束202’与这些不同颜色的光束(例如红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225)的路径上，以合并红外光束202’与这些不同颜色的光束的路径。扫描镜240配置于来自合光模块230的红外光束202’与这些不同颜色的光束的路径上，其中扫描镜240适于转动，以使红外光束202’形成照射于第一衍射光学元件膜120上的不可见光束202，且使这些不同颜色的光束形成在第二衍射光学元件膜140上扫描的图像光束204。此外，在本实施例中，不可见光相机130例如为红外光相机。

图4示出图2的红色光束、绿色光束、蓝色光束及红外光束在眼镜镜片上的扫描路径与位置。请参照图1、图2及图4，借着扫描镜240的转动，当扫描镜240转动到适当的角度时，红外光激光源210可在此时发出红外光束202’，但这些不同颜色的激光源220不发出红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225，此时红外光束202’即照射于第一衍射光学元件膜120上的不可见光束202，且在第一衍射光学元件膜120上形成光点I1，然后第一衍射光学元件膜120再将红外光束202’衍射成结构光束203。此外，在其他大部分的时间中，扫描镜240不断地在其他角度转动，此时，这些不同颜色的激光源220可发出红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225，而红外光激光源210不发出红外光束202’，则红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225可在第二衍射光学元件膜140上分别形成红光扫描路径I2、绿光扫描路径I3及蓝光扫描路径I4。此外，随着扫描镜240的不断转动，红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225的各自强度可以不断地变化，使得这些扫描路径上的颜色与亮度可以有所变化，而第二衍射光学元件膜140再将红色光束221、绿色光束223及蓝色光束225衍射至眼睛50，如此眼睛50便能够看到彩色图像画面。

此外，眼睛50除了能看到彩色图像画面之外，也能够通过眼镜镜片110看到外界的景物，以达到扩增实境的效果。眼镜镜片110例如是近视眼镜镜片、远视眼镜镜片、老花眼镜镜片或平光眼镜镜片。

在本实施例中，合光模块230可包括多个分色镜(dichroic mirror)或多个分色棱镜(dichroic prism)。举例而言，合光模块230包括分色镜232、分色镜234及分色镜236，其中分色镜232适于让红外光束202’穿透而传递至分色镜234，且分色镜232适于将蓝色光束225反射至分色镜234。分色镜234适于让红外光束202’与蓝色光束225穿透而传递至分色镜236，且分色镜234适于将绿色光束223反射至分色镜236。分色镜236适于让红外光束202’、蓝色光束225及绿色光束223穿透而传递至扫描镜240，且分色镜236适于将红色光束221反射至扫描镜240。如此一来，合光模块230便能够将红色光束221、绿色光束223、蓝色光束225及红外光束202’的路径合并。

在本实施例中，具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100还包括眼镜架150，且激光投影器200、眼镜镜片110与不可见光相机130配置于眼镜架150上，其中激光投影器200可配置于眼镜架150的眼镜脚上，而不可见光相机130可配置于眼镜架150的中央附近接近鼻垫处。此外，在本实施例中，具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100还包括处理器160，电性连接至不可见光相机130，且用以根据不可见光相机所130拍摄到的光图案201(如图3所示出)计算出待测物(在本实施例中即为眼睛50)的位置，例如计算出眼睛50的位置及其注视方向。由于光图案201会随着眼睛50的凹凸曲面而有变形或偏移，处理器160根据这些变形或偏移便能够计算出眼睛上各位置在三维空间中的位置。处理器160也可以配置于眼镜架150上，例如配置于眼镜架150的眼镜脚上。

在一实施例中，处理器160例如为中央处理单元(central processing unit,CPU)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑设备(programmable logic device,PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，处理器160的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个内存中，由处理器160来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，处理器160的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作处理器160的各功能。

在本实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100中，激光投影器200除了发出图像光束204外，还发出了不可见光束202，且不可见光束202经由第一衍射光学元件120的衍射作用而形成结构光束203，其用以检测待测物。也就是说，本实施例将结构光203的光源整合至用以显示图像的激光投影器200中，也就是将眼球追踪器(eye tracker)的光源整合至激光投影器200中，因而具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100可具有较为简单的架构及较少数量的元件，且同时达到显示图像与检测待测物的功能。

图5为图1中的第一衍射光学元件膜的一个实施例的立体示意图，而图6为图1中的第一衍射光学元件的另一个实施例的立体示意图。请先参照图1与图5，第一衍射光学元件膜120可具有多个微结构122，在图5中例如为条状凸起，每一微结构122可沿垂直于图1的图面的方向延伸，且这些微结构122可沿着图1的水平方向排列，如此产生的光图案例如为条纹状光图案。请再参照图1与图6，在另一实施例中，可以采用如图6的第一衍射光学元件膜120a来取代图5的第一衍射光学元件膜120。图6的第一衍射光学元件膜120a具有在两个维度上排列的多个微结构122a，这些微结构122a例如为点状凸起，如此产生的光图案例如如同图3的阵列排列的点状光图案201。图5的第一衍射光学元件膜120及图6的第一衍射光学元件膜120a例如为衍射光栅。

图7为本发明的另一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜的光路示意图，图8为图7中的眼镜镜片从眼睛的视线方向看过去的正视示意图，而图9为图7中的激光投影器的光路示意图。请参照图7至图9，本实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100b类似于图1的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100，而两者的主要差异如下所述。本实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100b包括分别配置于第二衍射光学元件膜140的两侧的两个第一衍射光学元件膜120b，例如位于第二衍射光学元件膜140的右侧的第一衍射光学元件膜124b及位于第二衍射光学元件膜140的左侧的第一衍射光学元件膜126b。此外，当激光投影器200的扫描镜240在不同的时间转到两个不同的角度时，红外光激光源210发出红外光束202’，而在两个不同时间中在两个不同角度的扫描镜240分别将红外光束202’反射往不同的方向，以分别形成两个往不同方向传递的不可见光束202b，例如是不可见光束2021与不可见光束2022。其中，不可见光束2021照射于第一衍射光学元件膜124b上，以形成结构光束203，而不可见光束2022照射于第一衍射光学元件膜126b上，以形成另一结构光束203，而两个结构光束203均传递至眼睛50，以在眼睛上形成两个光图案。两个光图案可以涵盖眼睛50的更多角度，以使处理器160在计算眼睛50的位置及其注视方向时更为精确。

图10为另一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜中的眼镜镜片从眼睛的视线方向看过去的正视示意图。请参照图7、图8及图10，图10的实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜与图7的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100b类似，而两者的差异在于图10的实施例中的第一衍射光学元件膜124b与第一衍射光学元件膜126b是分别配置于第二衍射光学元件膜140的上侧与下侧，而不可见光束2021与不可见光束2022则分别照射于第一衍射光学元件膜124b与第一衍射光学元件膜126b上。

图11为又一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜中的眼镜镜片从眼睛的视线方向看过去的正视示意图。请参照图7、图8及图11，图11的实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜与图7的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100b类似，而两者的差异在于图11的实施例中的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜具有分别配置于该第二衍射光学元件膜140的四周的四个第一衍射光学元件膜120c，例如分别配置于第二衍射光学元件膜140的右侧、左侧、上侧及下侧的第一衍射光学元件膜124c、126c、128c及129c，而激光投影器的扫描镜在四个不同的时间转动到四个不同的角度而将红外光束反射往四个不同的方向，以形成分别照射于第一衍射光学元件膜124c、126c、128c及129c的四个不可见光束。第一衍射光学元件膜124c、126c、128c及129c将四个不可见光束衍射成四个结构光束，此四个结构光束均传递至眼睛，以在眼睛上形成四个光图案。四个光图案可以涵盖眼睛50的更多角度，以使处理器160在计算眼睛50的位置及其注视方向时更为精确。

图12为本发明的再一实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜的光路示意图。请参照图12，本实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100d类似于图1的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100，而两者的差异如下所述。在本实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜100d，待测物为外界物体60，其中眼镜镜片110位于外界物体60与眼睛50之间。此外，第一衍射光学元件膜120d使不可见光束202往外界衍射成结构光束203，此衍射例如是穿透式衍射。结构光束203传递至外界物体60，以在外界物体60上形成光图案。借由不可见光相机130拍摄光图案，便能够让处理器160计算出外界物体60的位置。在本实施例中，不可见光相机130可以有多个，例如两个，分别配置于眼镜架150的中央与一侧。但本发明不限制不可见光相机130的数量。在另一实施例中，不可见光相机130的数量也可以是一个。

综上所述，在本发明的实施例的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜中，激光投影器除了发出图像光束外，还发出了不可见光束，且不可见光束经由第一衍射光学元件的衍射作用而形成结构光束，其用以检测待测物。也就是说，本发明的实施例将结构光的光源整合至用以显示图像的激光投影器中，因而具有结构光检测功能的扩增实境眼镜可具有较为简单的架构及较少数量的元件，且同时达到显示图像与检测待测物的功能。

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。

Claims (9)

1.一种具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，适于配戴于眼睛前方，所述具有结构光检测功能的扩增实境眼镜包括：

激光投影器，用以发出至少一不可见光束与图像光束；

眼镜镜片，配置于所述不可见光束与所述图像光束的路径上；

至少一第一衍射光学元件膜，配置于所述眼镜镜片上，且位于所述不可见光束的路径上，所述第一衍射光学元件用以将所述不可见光束衍射成结构光束，其中所述结构光束传递至待测物，以在所述待测物上形成光图案；

不可见光相机，用以拍摄所述待测物上的所述光图案；以及

第二衍射光学元件膜，配置于所述眼镜镜片上，且位于所述图像光束的路径上，所述第二衍射光学元件膜用以将所述图像光束传递至所述眼睛，其中所述至少一第一衍射光学元件膜包括分别配置于所述第二衍射光学元件膜的两侧的两个第一衍射光学元件膜，且所述至少一不可见光束包括分别照射于所述两个第一衍射光学元件膜的两个不可见光束。

2.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，所述待测物为所述眼睛。

3.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，所述待测物为外界物体，其中所述眼镜镜片位于所述外界物体与所述眼睛之间。

4.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，所述第一衍射光学元件膜与所述第二衍射光学元件膜配置于所述眼镜镜片的朝向所述眼睛的表面上。

5.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，所述激光投影器包括：

红外光激光源，用以发出红外光束；

多个不同颜色的激光源，用以发出多个不同颜色的光束；

合光模块，配置于所述红外光束与所述多个不同颜色的光束的路径上，以合并所述红外光束与所述多个不同颜色的光束的路径；以及

扫描镜，配置于来自所述合光模块的所述红外光束与所述多个不同颜色的光束的路径上，其中所述扫描镜适于转动，以使所述红外光束形成照射于所述至少一第一衍射光学元件膜上的所述至少一不可见光束，且使所述多个不同颜色的光束形成在所述第二衍射光学元件膜上扫描的所述图像光束。

6.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，所述至少一第一衍射光学元件膜为分别配置于所述第二衍射光学元件膜的四周的四个第一衍射光学元件膜，且所述至少一不可见光束为分别照射于所述四个第一衍射光学元件膜的四个不可见光束。

7.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，所述第二衍射光学元件膜为全像光学元件膜。

8.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，还包括处理器，电性连接至所述不可见光相机，且用以根据所述不可见光相机所拍摄到的所述光图案计算出所述待测物的位置。

9.根据权利要求1所述的具有结构光检测功能的扩增实境眼镜，其特征在于，还包括眼镜架，其中所述激光投影器与所述眼镜镜片配置于所述眼镜架上。