TWI746169B - 具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡 - Google Patents
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Abstract
一種具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，包括一雷射投影器、一眼鏡鏡片、至少一第一繞射光學元件膜、一不可見光相機及一第二繞射光學元件膜。雷射投影器用以發出至少一不可見光束與一影像光束。此至少一第一繞射光學元件膜配置於眼鏡鏡片上。第一繞射光學元件用以將不可見光束繞射成一結構光束，其中結構光束傳遞至一待測物，以在待測物上形成一光圖案。不可見光相機用以拍攝待測物上的光圖案。第二繞射光學元件膜配置於眼鏡鏡片上，第二繞射光學元件膜用以將影像光束傳遞至眼睛。
Description
本發明是有關於一種擴增實境顯示器，且特別是有關於一種具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡。
隨著顯示技術的進步，虛擬實境（virtual reality）顯示技術與擴增實境（augmented reality）顯示技術逐漸普及，且被充分地研究與發展。虛擬實境顯示技術可讓使用者沉浸在顯示器所顯示的虛擬世界，且可顯示有立體感的影像。擴增實境顯示技術則除了讓使用者可以看到虛擬世界的影像之外，還可以看到真實世界的物體，甚至使虛擬世界的影像與真實世界的物體可以達到互動的效果。
當顯示器對使用者的眼睛提供虛擬世界的影像（即虛像）時，若系統能得知眼睛的位置與轉動的角度，則可提供對應的虛像，而有更佳的顯示效果。然而，欲在擴增實境顯示裝置加裝眼球追蹤器時，則有元件數量過多，系統過於複雜的缺點。
本發明提供一種具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其將結構光的光源整合至用以顯示影像的雷射投影器中，因而可具有較為簡單的架構及較小數量的元件。
本發明的一實施例提出一種具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，適於配戴於一眼睛前方。具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡包括一雷射投影器、一眼鏡鏡片、至少一第一繞射光學元件（diffractive optical element, DOE）膜、一不可見光相機及一第二繞射光學元件膜。雷射投影器用以發出至少一不可見光束與一影像光束，眼鏡鏡片配置於不可見光束與影像光束的路徑上。此至少一第一繞射光學元件膜配置於眼鏡鏡片上，且位於不可見光束的路徑上。第一繞射光學元件用以將不可見光束繞射成一結構光束，其中結構光束傳遞至一待測物，以在待測物上形成一光圖案。不可見光相機用以拍攝待測物上的光圖案。第二繞射光學元件膜配置於眼鏡鏡片上，且位於影像光束的路徑上，第二繞射光學元件膜用以將影像光束傳遞至眼睛。
在本發明的實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡中，雷射投影器除了發出影像光束外，還發出了不可見光束，且不可見光束經由第一繞射光學元件的繞射作用而形成一結構光束，其用以偵測待測物。也就是說，本發明的實施例將結構光的光源整合至用以顯示影像的雷射投影器中，因而具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡可具有較為簡單的架構及較少數量的元件，且同時達到顯示影像與偵測待測物的功能。
圖1為本發明的一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡的光路示意圖，圖2為圖1中的雷射投影器的光路示意圖，而圖3為圖1的結構光束在眼睛形成上光圖案的示意圖。請參照圖1至圖3，本實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100適於配戴於一眼睛50前方，具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100包括一雷射投影器200、一眼鏡鏡片110、至少一第一繞射光學元件膜120（在圖1中是以一個第一繞射光學元件膜120為例）、一不可見光相機130及一第二繞射光學元件膜140。雷射投影器200用以發出至少一不可見光束202（在圖1中是以發出一個不可見光束202為例）與一影像光束204，眼鏡鏡片110配置於不可見光束202與影像光束204的路徑上。第一繞射光學元件膜120配置於眼鏡鏡片110上，且位於不可見光束202的路徑上。第一繞射光學元件120用以將不可見光束202繞射成一結構光束203，此繞射例如是反射式繞射，其中結構光束203傳遞至一待測物，以在待測物上形成一光圖案。在本實施例中，待測物為眼睛50，而結構光束203在眼睛50上形成光圖案201。
不可見光相機130用以拍攝待測物上的光圖案201。第二繞射光學元件膜140配置於眼鏡鏡片110上，且位於影像光束204的路徑上，第二繞射光學元件膜140用以將影像光束204傳遞至眼睛50，例如是繞射至眼睛50，以使眼睛50看到雷射投影器200所欲顯示的影像畫面，其以位於眼睛50前方的虛像來呈現。第二繞射光學元件膜140對影像光束204的繞射例如是反射式繞射。此外，在本實施例中，第一繞射光學元件膜120與第二繞射光學元件膜140配置於眼鏡鏡片110的朝向眼睛50的表面112上。此外，第二繞射光學元件膜140可以是一般的繞射光學元件膜或是全像光學元件（holographic optical element, HOE）膜。
在本實施例中，雷射投影器包括一紅外光雷射光源210、多個不同顏色的雷射光源220、一合光模組230及一掃描鏡240。紅外光雷射光源210用以發出一紅外光束202’，這些不同顏色的雷射光源220用以發出多個不同顏色的光束。在本實施例中，這些不同顏色的雷射光源220包括紅光雷射光源222、綠光雷射光源224及藍光雷射光源226，分別發出紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225。在本實施例中，紅外光雷射光源210與這些不同顏色的雷射光源220皆為雷射二極體（laser diode），而其所發出的光束皆為雷射光束。
合光模組230配置於紅外光束202’與這些不同顏色的光束（例如紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225）的路徑上，以合併紅外光束202’與這些不同顏色的光束的路徑。掃描鏡240配置於來自合光模組230的紅外光束202’與這些不同顏色的光束的路徑上，其中掃描鏡240適於轉動，以使紅外光束202’形成照射於第一繞射光學元件膜120上的不可見光束202，且使這些不同顏色的光束形成在第二繞射光學元件膜140上掃描的影像光束204。此外，在本實施例中，不可見光相機130例如為紅外光相機。
圖4繪示圖2的紅色光束、綠色光束、藍色光束及紅外光束在眼鏡鏡片上的掃描路徑與位置。請參照圖1、圖2及圖4，藉著掃描鏡240的轉動，當掃描鏡240轉動到適當的角度時，紅外光雷射光源210可在此時發出紅外光束202’，但這些不同顏色的雷射光源220不發出紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225，此時紅外光束202’即照射於第一繞射光學元件膜120上的不可見光束202，且在第一繞射光學元件膜120上形成光點I1，然後第一繞射光學元件膜120再將紅外光束202’繞射成結構光束203。此外，在其他大部分的時間中，掃描鏡240不斷地在其他角度轉動，此時，這些不同顏色的雷射光源220可發出紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225，而紅外光雷射光源210不發出紅外光束202’，則紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225可在第二繞射光學元件膜140上分別形成紅光掃描路徑I2、綠光掃描路徑I3及藍光掃描路徑I4。此外，隨著掃描鏡240的不斷轉動，紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225的各自強度可以不斷地變化，使得這些掃描路徑上的顏色與亮度可以有所變化，而第二繞射光學元件膜140再將紅色光束221、綠色光束223及藍色光束225繞射至眼睛50，如此眼睛50便能夠看到彩色影像畫面。
此外，眼睛50除了能看到彩色影像畫面之外，也能夠透過眼鏡鏡片110看到外界的景物，以達到擴增實境的效果。眼鏡鏡片110例如是近視眼鏡鏡片、遠視眼鏡鏡片、老花眼鏡鏡片或平光眼鏡鏡片。
在本實施例中，合光模組230可包括多個分色鏡（dichroic mirror）或多個分色稜鏡（dichroic prism）。舉例而言，合光模組230包括分色鏡232、分色鏡234及分色鏡236，其中分色鏡232適於讓紅外光束202’穿透而傳遞至分色鏡234，且分色鏡232適於將藍色光束225反射至分色鏡234。分色鏡234適於讓紅外光束202’與藍色光束225穿透而傳遞至分色鏡236，且分色鏡234適於將綠色光束223反射至分色鏡236。分色鏡236適於讓紅外光束202’、藍色光束225及綠色光束223穿透而傳遞至掃描鏡240，且分色鏡236適於將紅色光束221反射至掃描鏡240。如此一來，合光模組230便能夠將紅色光束221、綠色光束223、藍色光束225及紅外光束202’的路徑合併。
在本實施例中，具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100更包括一眼鏡架150，且雷射投影器200、眼鏡鏡片110與不可見光相機130配置於眼鏡架150上，其中雷射投影器200可配置於眼鏡架150的眼鏡腳上，而不可見光相機130可配置於眼鏡架150的中央附近接近鼻墊處。此外，在本實施例中，具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100更包括一處理器160，電性連接至不可見光相機130，且用以根據不可見光相機所130拍攝到的光圖案201（如圖3所繪示）計算出待測物（在本實施例中即為眼睛50）的位置，例如計算出眼睛50的位置及其注視方向。由於光圖案201會隨著眼睛50的凹凸曲面而有變形或偏移，處理器160根據這些變形或偏移便能夠計算出眼睛上各位置在三維空間中的位置。處理器160也可以配置於眼鏡架150上，例如配置於眼鏡架150的眼鏡腳上。
在一實施例中，處理器160例如為中央處理單元（central processing unit, CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置（programmable logic device, PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，處理器160的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由處理器160來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，處理器160的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作處理器160的各功能。
在本實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100中，雷射投影器200除了發出影像光束204外，還發出了不可見光束202，且不可見光束202經由第一繞射光學元件120的繞射作用而形成一結構光束203，其用以偵測待測物。也就是說，本實施例將結構光203的光源整合至用以顯示影像的雷射投影器200中，也就是將眼球追蹤器（eye tracker）的光源整合至雷射投影器200中，因而具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100可具有較為簡單的架構及較少數量的元件，且同時達到顯示影像與偵測待測物的功能。
圖5為圖1中的第一繞射光學元件膜的一個實施例的立體示意圖，而圖6為圖1中的第一繞射光學元件的另一個實施例的立體示意圖。請先參照圖1與圖5，第一繞射光學元件膜120可具有多個微結構122，在圖5中例如為條狀凸起，每一微結構122可沿垂直於圖1的圖面的方向延伸，且這些微結構122可沿著圖1的水平方向排列，如此產生的光圖案例如為條紋狀光圖案。請再參照圖1與圖6，在另一實施例中，可以採用如圖6的第一繞射光學元件膜120a來取代圖5的第一繞射光學元件膜120。圖6的第一繞射光學元件膜120a具有在兩個維度上排列的多個微結構122a，這些微結構122a例如為點狀凸起，如此產生的光圖案例如如同圖3之陣列排列的點狀光圖案201。圖5的第一繞射光學元件膜120及圖6的第一繞射光學元件膜120a例如為繞射光柵。
圖7為本發明的另一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡的光路示意圖，圖8為圖7中的眼鏡鏡片從眼睛的視線方向看過去的正視示意圖，而圖9為圖7中的雷射投影器的光路示意圖。請參照圖7至圖9，本實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100b類似於圖1的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100，而兩者的主要差異如下所述。本實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100b包括分別配置於第二繞射光學元件膜140的兩側的兩個第一繞射光學元件膜120b，例如位於第二繞射光學元件膜140的右側的第一繞射光學元件膜124b及位於第二繞射光學元件膜140的左側的第一繞射光學元件膜126b。此外，當雷射投影器200的掃描鏡240在不同的時間轉到兩個不同的角度時，紅外光雷射光源210發出紅外光束202’，而在兩個不同時間中在兩個不同角度的掃描鏡240分別將紅外光束202’反射往不同的方向，以分別形成兩個往不同方向傳遞的不可見光束202b，例如是不可見光束2021與不可見光束2022。其中，不可見光束2021照射於第一繞射光學元件膜124b上，以形成結構光束203，而不可見光束2022照射於第一繞射光學元件膜126b上，以形成另一結構光束203，而兩個結構光束203均傳遞至眼睛50，以在眼睛上形成兩個光圖案。兩個光圖案可以涵蓋眼睛50的更多角度，以使處理器160在計算眼睛50的位置及其注視方向時更為精確。
圖10為另一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡中的眼鏡鏡片從眼睛的視線方向看過去的正視示意圖。請參照圖7、圖8及圖10，圖10的實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡與圖7的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100b類似，而兩者的差異在於圖10的實施例中的第一繞射光學元件膜124b與第一繞射光學元件膜126b是分別配置於第二繞射光學元件膜140的上側與下側，而不可見光束2021與不可見光束2022則分別照射於第一繞射光學元件膜124b與第一繞射光學元件膜126b上。
圖11為又一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡中的眼鏡鏡片從眼睛的視線方向看過去的正視示意圖。請參照圖7、圖8及圖11，圖11的實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡與圖7的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100b類似，而兩者的差異在於圖11的實施例中的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡具有分別配置於該第二繞射光學元件膜140的四周的四個第一繞射光學元件膜120c，例如分別配置於第二繞射光學元件膜140的右側、左側、上側及下側的第一繞射光學元件膜124c、126c、128c及129c，而雷射投影器的掃描鏡在四個不同的時間轉動到四個不同的角度而將紅外光束反射往四個不同的方向，以形成分別照射於第一繞射光學元件膜124c、126c、128c及129c的四個不可見光束。第一繞射光學元件膜124c、126c、128c及129c將四個不可見光束繞射成四個結構光束，此此四個結構光束均傳遞至眼睛，以在眼睛上形成四個光圖案。四個光圖案可以涵蓋眼睛50的更多角度，以使處理器160在計算眼睛50的位置及其注視方向時更為精確。
圖12為本發明的再一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡的光路示意圖。請參照圖12，本實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100d類似於圖1的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡100d，待測物為一外界物體60，其中眼鏡鏡片110位於外界物體60與眼睛50之間。此外，第一繞射光學元件膜120d使不可見光束202往外界繞射成結構光束203，此繞射例如是穿透式繞射。結構光束203傳遞至外界物體60，以在外界物體60上形成光圖案。藉由不可見光相機130拍攝光圖案，便能夠讓處理器160計算出外界物體60的位置。在本實施例中，不可見光相機130可以有多個，例如兩個，分別配置於眼鏡架150的中央與一側。但本發明不限制不可見光相機130的數量。在另一實施例中，不可見光相機130的數量也可以是一個。
綜上所述，在本發明的實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡中，雷射投影器除了發出影像光束外，還發出了不可見光束，且不可見光束經由第一繞射光學元件的繞射作用而形成一結構光束，其用以偵測待測物。也就是說，本發明的實施例將結構光的光源整合至用以顯示影像的雷射投影器中，因而具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡可具有較為簡單的架構及較少數量的元件，且同時達到顯示影像與偵測待測物的功能。
50:眼睛
60:外界物體
100、100b、100d:具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡
110:眼鏡鏡片
112:表面
120、120a、120b、120c、120d、124b、124c、126b、126c、128c、129c:第一繞射光學元件膜
122、122a:微結構
130:不可見光相機
140:第二繞射光學元件膜
150:眼鏡架
160:處理器
200:雷射投影器
201:光圖案
202、202b、2021、2022:不可見光束
202’:紅外光束
203:結構光束
204:影像光束
210:紅外光雷射光源
220:雷射光源
221:紅色光束
222:紅光雷射光源
223:綠色光束
224:綠光雷射光源
225:藍色光束
226:藍光雷射光源
230:合光模組
232、234、236:分色鏡
240:掃描鏡
I1:光點
I2:紅光掃描路徑
I3:綠光掃描路徑
I4:藍光掃描路徑
圖1為本發明的一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡的光路示意圖。
圖2為圖1中的雷射投影器的光路示意圖。
圖3為圖1的結構光束在眼睛上形成光圖案的示意圖。
圖4繪示圖2的紅色光束、綠色光束、藍色光束及紅外光束在眼鏡鏡片上的掃描路徑與位置。
圖5為圖1中的第一繞射光學元件膜的一個實施例的立體示意圖。
圖6為圖1中的第一繞射光學元件的另一個實施例的立體示意圖。
圖7為本發明的另一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡的光路示意圖。
圖8為圖7中的眼鏡鏡片從眼睛的視線方向看過去的正視示意圖。
圖9為圖7中的雷射投影器的光路示意圖。
圖10為另一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡中的眼鏡鏡片從眼睛的視線方向看過去的正視示意圖。
圖11為又一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡中的眼鏡鏡片從眼睛的視線方向看過去的正視示意圖。
圖12為本發明的再一實施例的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡的光路示意圖。
50:眼睛
100:具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡
110:眼鏡鏡片
112:表面
120:第一繞射光學元件膜
130:不可見光相機
140:第二繞射光學元件膜
150:眼鏡架
160:處理器
200:雷射投影器
202:不可見光束
203:結構光束
204:影像光束
Claims (9)
- 一種具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，適於配戴於一眼睛前方，該具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡包括：一雷射投影器，用以發出至少一不可見光束與一影像光束；一眼鏡鏡片，配置於該不可見光束與該影像光束的路徑上；至少一第一繞射光學元件膜，配置於該眼鏡鏡片上，且位於該不可見光束的路徑上，該第一繞射光學元件用以將該不可見光束繞射成一結構光束，其中該結構光束傳遞至一待測物，以在該待測物上形成一光圖案；一不可見光相機，用以拍攝該待測物上的該光圖案；以及一第二繞射光學元件膜，配置於該眼鏡鏡片上，且位於該影像光束的路徑上，該第二繞射光學元件膜用以將該影像光束傳遞至該眼睛，其中該至少一第一繞射光學元件膜包括分別配置於該第二繞射光學元件膜的兩側的兩個第一繞射光學元件膜，且該至少一不可見光束包括分別照射於該兩個第一繞射光學元件膜的兩個不可見光束。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其中該待測物為該眼睛。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其中該待測物為一外界物體，其中該眼鏡鏡片位於該外界物體與該眼睛之間。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其中該第一繞射光學元件膜與該第二繞射光學元件膜配置於該眼鏡鏡片的朝向該眼睛的表面上。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其中該雷射投影器包括：一紅外光雷射光源，用以發出一紅外光束；多個不同顏色的雷射光源，用以發出多個不同顏色的光束；一合光模組，配置於該紅外光束與該些不同顏色的光束的路徑上，以合併該紅外光束與該些不同顏色的光束的路徑；以及一掃描鏡，配置於來自該合光模組的該紅外光束與該些不同顏色的光束的路徑上，其中該掃描鏡適於轉動，以使該紅外光束形成照射於該至少一第一繞射光學元件膜上的該至少一不可見光束，且使該些不同顏色的光束形成在該第二繞射光學元件膜上掃描的該影像光束。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其中該至少一第一繞射光學元件膜為分別配置於該第二繞射光學元件膜的四周的四個第一繞射光學元件膜，且該至少一不可見光束為分別照射於該四個第一繞射光學元件膜的四個不可見光束。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，其中該第二繞射光學元件膜為全像光學元件膜。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，更包括一處理器，電性連接至該不可見光相機，且用以根據該不可見光相機所拍攝到的該光圖案計算出該待測物的位置。
- 如請求項1所述的具有結構光偵測功能的擴增實境眼鏡，更包括一眼鏡架，其中該雷射投影器與該眼鏡鏡片配置於該眼鏡架上。
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