CN110193189B - 可追踪光学装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种可追踪光学装置，其可被具有影像感测器的电子装置追踪。可追踪光学装置包含光导元件、至少一个光源以及遮蔽元件。光导元件具有相连的至少一个入光面以及出光面。前述至少一个光源配置以由前述至少一个入光面发射光线进入光导元件。遮蔽元件遮蔽光导元件，并具有至少一个透光区域。因此，可追踪光学装置可提供容易被识别的具有高亮度对比的可追踪光学特征，如此可追踪光学装置的位置与方位即可轻易地被判定。

Description

可追踪光学装置
技术领域
本发明涉及一种电子装置，特别涉及一种可追踪光学装置。
背景技术
人机互动领域中快速发展的技术是各种头戴式显示器(HMD)，其可以佩戴在使用者的头上，并且具有一个或两个显示器位于使用者眼睛前面。这种类型的显示器具有多个商业应用，涉及虚拟现实的模拟，包括视频游戏，医学，运动训练，娱乐应用等。在游戏领域中，这些显示器可用于例如渲染三维(3D)虚拟游戏世界。
如今，计算机视觉方法，特别是物件追踪，被广泛用于各种应用中。例如，可以在虚拟现实(VR)系统中使用物件追踪来检测使用者持有的手柄的位置。更具体地，手柄的位置和方位可以通过检测手柄上的特征点来确定。然而，当在昏暗环境中被保持在高强度光源前面时，手柄的特征点总是难以被检测到。
因此，提出一种可解决上述问题的可追踪光学装置，是目前业界亟欲投入研发资源解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的在于提出一种可有效解决前述问题的可追踪光学装置。
为了达到上述目的，依据本发明的一实施方式，一种可追踪光学装置可被具有影像感测器的电子装置追踪。可追踪光学装置包含光导元件、至少一个光源以及遮蔽元件。光导元件具有相连的至少一个入光面以及出光面。前述至少一个光源配置以由前述至少一个入光面发射光线进入光导元件。遮蔽元件遮蔽光导元件，并具有至少一个透光区域。
于本发明的一个或多个实施方式中，遮蔽元件包含中空壳体。光导元件的至少一部分在中空壳体内。
于本发明的一个或多个实施方式中，光导元件与前述至少一个光源在中空壳体内。
于本发明的一个或多个实施方式中，前述至少一个光源位于中空壳体外。
于本发明的一个或多个实施方式中，遮蔽元件进一步包含反射层或光扩散结构。反射层或光扩散结构在中空壳体的内表面上。
于本发明的一个或多个实施方式中，可追踪光学装置进一步包含光分配元件。光分配元件在中空壳体内。光分配元件连接光导元件，并光学耦合于出光面与前述至少一个透光区域之间。
于本发明的一个或多个实施方式中，光导元件与光分配元件形成单体结构，并具有不同折射率。
于本发明的一个或多个实施方式中，光导元件的折射率大于光分配元件的折射率。
于本发明的一个或多个实施方式中，光分配元件是可拆卸地衔接光导元件。
于本发明的一个或多个实施方式中，前述至少一个透光区域为中空壳体的至少一个开口。光分配元件填充前述至少一个开口。
于本发明的一个或多个实施方式中，前述至少一个透光区域为中空壳体的至少一个开口。
于本发明的一个或多个实施方式中，中空壳体包含相连的非透明部分以及至少一个透明部分。前述至少一个透明部分作为至少一个透光区域。
于本发明的一个或多个实施方式中，前述至少一个入光面的数量与前述至少一个光源的数量皆为二。光源分别光学耦合至入光面。
于本发明的一个或多个实施方式中，光导元件为管状并具有两端。入光面分别在光导元件的两端。
于本发明的一个或多个实施方式中，遮蔽元件为涂布于光导元件的出光面上的不透明层。
综上所述，在本发明的可追踪光学装置中，在光源发射光线进入光导元件之后，光线可被传递于光导元件中，并由光导元件的出光面均匀地离开。离开光导元件的光线穿过遮蔽元件的透光区域以被检测。因此，可追踪光学装置可提供容易被识别的具有高亮度对比的可追踪光学特征，如此可追踪光学装置的位置与方位即可轻易地被判定。此外，通过使用光导元件传递由光源所发射的光线并均匀地分配由其出光面离开的光线，对于增加光源数量的需求可大幅降低，如此可追踪光学装置的电功耗是低的。
以上所述仅是用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的技术效果等等，本发明的具体细节将在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下：
图1为根据本发明一些实施方式示出使用者与头戴式显示器(HMD)和可追踪光学装置互动的示意图。
图2A为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的局部示意图。
图2B为根据本发明一些实施方式示出图2A中的可追踪光学装置的另一局部示意图。
图3为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的剖面图。
图4为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的剖面图。
图5为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的剖面图。
图6为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的剖面图。
图7为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的剖面图。
图8为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置中的元件的示意图。
图9为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的示意图。
图10为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的示意图。
图11为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的剖面图。
图12为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置的示意图。
附图标记说明如下：
100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、100I：可追踪光学装置
110：光导元件
111：入光面
112：出光面
120：光源
130A、130D、130F、130G：中空壳体
130I：不透明层
131：非透明部分
131a、131a’：开口
131b：内表面
132：反射层
133：光扩散结构
134：透明部分
140：光分配元件
141：连接部
141a：凹陷
142：延伸部
900：头戴式显示器
910：相机
E1、E2：端
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出，且不同实施方式中的相同元件以相同的元件符号标示。
请参照图1。图1为根据本发明一些实施方式示出使用者与头戴式显示器(HMD)900和可追踪光学装置100A互动的示意图。于一些实施方式中，头戴式显示器900可与计算机装置无线通信(例如，WiFi、Bluetooth等)。于一些实施方式中，头戴式显示器900可直接连接至计算机装置或经由网络(例如，互联网)与计算机装置通信。举例来说，计算机装置可为网络上提供游戏服务的服务器。于一些实施方式中，头戴式显示器900为游戏装置，且游戏由头戴式显示器900直接执行而无须外部装置运行。
于一些实施方式中，头戴式显示器900配备有相机910于其上。相机910可以是常规的影像照相机、立体相机(亦即，具有从游戏区域获取影像的两个或多个镜头)、红外线相机、深度相机、3D相机等。由相机910所拍摄的影像可被处理以追踪可追踪光学装置100A的位置与移动。可追踪光学装置100A可为如图1所示的单手控制器，但本发明并不以此为限。
于一些实施方式中，使用者手持可追踪光学装置100A。相机910被用来追踪可追踪光学装置100A的位置与移动，且有关于可追踪光学装置100A的运动的操作可用作游戏的输入。举例来说，可追踪光学装置100A可代表一把剑的把柄，且剑在游戏场景中显示。当使用者移动可追踪光学装置100A，剑在虚拟世界中与可追踪光学装置100A同步移动。因此，玩家能够执行以剑为武器的格斗游戏操作。于一实施方式中，头戴式显示器900与可追踪光学装置100A之间的相对位置被计算。游戏使用此相对位置使游戏物件与头戴式显示器900同步移动。
请参照图2A以及图2B。图2A为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100A的局部示意图。图2B为根据本发明一些实施方式示出图2A中的可追踪光学装置100A的另一局部示意图。可追踪光学装置100A包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件。光导元件110具有相连的入光面111以及出光面112。光源120配置以由入光面111发射光线进入光导元件110。遮蔽元件遮蔽光导元件110，并具有多个透光区域。
于一些实施方式中，如图2A与图2B所示，遮蔽元件包含中空壳体130A。光导元件110与光源120在中空壳体130A内。于一些实施方式中，光导元件110为管状。入光面111在光导元件110的一端E1。也就是说，入光面111为光导元件110的一端面，且出光面112为光导元件110由端E1延伸远离的曲面。于一些实施方式中，入光面111与出光面112形成光导元件110的整体外观面。在光源120发射光线进入光导元件110之后，光线可被传递于光导元件110中，并由光导元件110的出光面112均匀地离开。详细来说，根据全内反射原理，光源120的光通量连续地传递至光导元件110中的另一端。光导元件110可由透明材料(例如，塑料、聚合物、玻璃等)所制成，因此当光线不满足全内反射的条件时，光线会由光导元件110的出光面112射出。因此，除了传递光源120的光通量，光导元件110亦在整个出光面112发射光线。
于实务中，光导元件110的一些设计参数(例如，光源120所发射的光线的角度、光导元件110的形状、光导元件110的材料等)可通过光学模拟软件的协助而调整，以让光线均匀地由出光面112离开。
请参照图3。图3为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100A的剖面图。如图2A至图3所示，于一些实施方式中，中空壳体130A包含非透明部分131，且遮蔽元件的透光区域为非透明部分131的开口131a。于一些实施方式中，非透明部分131可由不透明材料所制成。于一些实施方式中，非透明部分131可由透明材料所制成，并具有一不透明层涂布于非透明部分131的内表面131b(及/或外表面)。在光线由出光面112离开光导元件110之后，一些光线可经由开口131a直接离开中空壳体130A以被检测，而一些光线在经由开口131a离开中空壳体130A以被检测之前可被非透明部分131的内表面131b反射一次或多次。因此，在经由开口131a离开中空壳体130A之前，大部分的光线可在中空壳体130A内均匀地混合。
通过前述光学配置，可追踪光学装置100A可提供容易被识别的具有高亮度对比的可追踪光学特征，如此可追踪光学装置100A的位置及/或方位即可轻易地被判定。此外，通过使用光导元件110传递由光源120所发射的光线并均匀地分配由其出光面112离开的光线，对于增加光源120数量的需求可大幅降低，如此可追踪光学装置100A的电功耗是低的。
请参照图4。图4为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100B的剖面图。如图4所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100B包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件，且遮蔽元件包含中空壳体130A。光导元件110、光源120与中空壳体130A是相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图4所示的实施方式的遮蔽元件进一步包含在中空壳体130A的内表面131b上的反射层132。因此，在中空壳体130A内反射的光线可以更均匀地混合且具有较少的光损失。于一些实施方式中，反射层132可为一金属层，但本发明并不以此为限。
请参照图5。图5为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100C的剖面图。如图5所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100C包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件，且遮蔽元件包含中空壳体130A。光导元件110、光源120与中空壳体130A是相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图5所示的实施方式的遮蔽元件进一步包含在中空壳体130A的内表面131b上的光扩散结构133。因此，在中空壳体130A内反射的光线可以更均匀地混合。于一些实施方式中，光扩散结构133可包含多个微小突起(例如，白点)，其分布在中空壳体130A的内表面131b上，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，中空壳体130A的内表面131b可具有大的表面粗糙度，以做为光扩散结构133。换句话说，光扩散结构133可为中空壳体130A的一内部部分。
请参照图6。图6为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100D的剖面图。如图6所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100D包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件。光导元件110与光源120是相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图6所示的实施方式的遮蔽元件包含中空壳体130D。中空壳体130D包含相连的非透明部分131以及多个透明部分134。透明部分134做为遮蔽元件的透光区域。换言之，中空壳体130D不具有开口，且在中空壳体130D内反射的光线可经由透明部分134离开中空壳体130D。因此，光导元件110与光源120可被密封于中空壳体130D内，如此可以防止污垢(例如，灰尘或液体)进入中空壳体130D。于一些实施方式中，非透明部分131可由不透明材料所制成。于一些实施方式中，非透明部分131与透明部分134可由透明材料所制成，并具有一不透明层涂布于非透明部分131的内表面131b(及/或外表面)。于一些实施方式中，结构/纹路/特征可添加于透明部分134的表面，以增加光均匀性并自由定义扩散角度。
请参照图7。图7为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100E的剖面图。如图7所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100E包含两光导元件110、两光源120以及遮蔽元件。两光源120分别光学耦合至两光导元件110。光导元件110、光源120与遮蔽元件相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，由于图7所示的实施方式的可追踪光学装置100E包含两光导元件110与两光源120，因此可追踪光学装置100E可具有较大的总光输出。因此，可追踪光学装置100E可提供更容易被识别的具有高亮度对比的可追踪光学特征。
请参照图8。图8为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置(例如，如图2A至图3所示的可追踪光学装置100A)中的元件的示意图。如图2A与图8所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100A可包含一光导元件110以及两光源120。光导元件110具有两入光面111，分别在光导元件110的两端E1、E2。入光面111与出光面112形成光导元件110的整体外观面。因此，较大的光通量可传递于光导元件110内，且离开光导元件110的出光面112的光线可具有较大的总光输出，如此可追踪光学装置100A可提供更容易被识别的具有高亮度对比的可追踪光学特征。
请参照图9。图9为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100F的示意图。如图9所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100F包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件。光导元件110与光源120相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图9所示的实施方式的遮蔽元件包含中空壳体130F，且光导元件110穿过中空壳体130F。换言之，光源120在中空壳体130F外。因此，光源120可根据所需轻易地由其他种类的光源(例如，其他颜色的光源)替换。
请参照图10。图10为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100G的示意图。如图10所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100G包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件。光导元件110与光源120与中空壳体130A相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图10所示的实施方式的遮蔽元件包含中空壳体130G。中空壳体130G具有延伸于其一侧表面的开口131a’。光导元件110的出光面112接触开口131a’的一边缘。换句话说，光导元件110的出光面112靠近开口131a’，如此离开中空壳体130G的大部分光线是由出光面112直接行进至开口131a’。于一些实施方式中，光导元件110的出光面112可进一步密封开口131a’。因此，由于出光面112形成可追踪光学装置100G的外观面的一部分，可追踪光学装置100G可具有较少的光损失，且提供具有最高亮度对比的可追踪光学特征。此外，可以通过光导元件110防止污垢(例如，灰尘或液体)进入中空壳体130G。
请参照图11。图11为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100H的剖面图。如图11所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100H包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件。光导元件110、光源120与遮蔽元件相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图11所示的实施方式的遮蔽元件进一步包含在中空壳体130A内的光分配元件140。光分配元件140连接光导元件110，并光学耦合于出光面112与透光区域(亦即，开口131a)之间。如前所述，光线均匀地离开光导元件110的出光面112。光分配元件140配置以接收离开出光面112的光线，并将所接受的光线均匀地分配到每一开口131a。详细来说，同样根据全内反射的原理，由光导元件110的出光面112发射的光线经由光分配元件140向前传递。光分配元件140可较直接地将光通量由光导元件110的出光面112导引至开口131a。于一些实施方式中，光分配元件140可由透明材料所制成(例如，塑料、聚合物、玻璃等)。
于一些实施方式中，光分配元件140包含连接部141以及连接至连接部141的多个延伸部142。光分配元件140经由连接部141可拆卸地衔接光导元件110。具体来说，连接部141具有凹陷141a，且光导元件110容纳于凹陷141a内且衔接凹陷141a，如此离开光导元件110的出光面112的大部分光线可以尽可能地由连接部141所接收。延伸部142由连接部141分别延伸至开口131a。于一些实施方式中，延伸部142分别完整填充开口131a，如此可以防止污垢(例如，灰尘或液体)进入中空壳体130A。于一些实施方式中，除了与光导元件110的出光面112接触的表面以及分别由开口131a暴露的表面之外，光分配元件140的其他表面可以反射层(例如，金属层)涂布以避免漏光。于一些实施方式中，为了使光通量无碍地由光导元件110传递至光分配元件140，光导元件110与光分配元件140可由相同材料所制成。
于一些实施方式中，光导元件110与光分配元件140形成一单体结构，并具有不同折射率。于一些实施方式中，为了使光通量无碍地由光导元件110传递至光分配元件140，光导元件110的折射率大于光分配元件140的折射率。
请参照图12。图12为根据本发明一些实施方式示出可追踪光学装置100I的示意图。如图12所示，于一些实施方式中，可追踪光学装置100I包含光导元件110、光源120以及遮蔽元件。光导元件110与光源120相同或相似于图2A至图3所示的实施方式中的对应元件，因此这些元件的描述皆相同，且为了简洁而在此述不赘述。相比于图2A至图3所示的实施方式，图12所示的实施方式的遮蔽元件为涂布于光导元件110的出光面112上的不透明层130I。因此，由于出光面112的一部分形成可追踪光学装置100I的外观面的一部分，可追踪光学装置100I可具有较少的光损失，且提供具有最高亮度对比的可追踪光学特征。
由以上对于本发明的具体实施方式的详述，可以明显地看出，在本发明的可追踪光学装置中，在光源发射光线进入光导元件之后，光线可被传递于光导元件中，并由光导元件的出光面均匀地离开。离开光导元件的光线穿过遮蔽元件的透光区域以被检测。因此，可追踪光学装置可提供容易被识别的具有高亮度对比的可追踪光学特征，如此可追踪光学装置的位置与方位即可轻易地被判定。此外，通过使用光导元件传递由光源所发射的光线并均匀地分配由其出光面离开的光线，对于增加光源数量的需求可大幅降低，如此可追踪光学装置的电功耗是低的。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并不用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种可追踪光学装置，可被具有一影像感测器的一电子装置追踪，其特征在于，所述可追踪光学装置包含：
一光导元件，具有相连的至少一个入光面以及一出光面；
至少一个光源，配置以由所述至少一个入光面发射光线进入所述光导元件；
一遮蔽元件，遮蔽所述光导元件，并具有多个透光区域；以及
一光分配元件，可拆卸地衔接所述光导元件并包含一连接部以及多个延伸部，所述多个延伸部分别延伸至所述多个透光区域，其中所述多个延伸部中的两者分别 位于所述连接部的相反两侧，且彼此远离延伸。
2.如权利要求1所述的可追踪光学装置，其中所述遮蔽元件包含一中空壳体，且所述光导元件的至少一部分在所述中空壳体内。
3.如权利要求2所述的可追踪光学装置，其中所述光导元件与所述至少一个光源在所述中空壳体内。
4.如权利要求2所述的可追踪光学装置，其中所述至少一个光源位于所述中空壳体外。
5.如权利要求2所述的可追踪光学装置，其中所述遮蔽元件进一步包含一反射层或一光扩散结构，且所述反射层或所述光扩散结构在所述中空壳体的一内表面上。
6.如权利要求2所述的可追踪光学装置，其中所述光分配元件在所述中空壳体内，并光学耦合于所述出光面与所述多个透光区域之间。
7.如权利要求6所述的可追踪光学装置，其中所述光导元件与所述光分配元件形成一单体结构，并具有不同折射率。
8.如权利要求7所述的可追踪光学装置，其中所述光导元件的所述折射率大于所述光分配元件的所述折射率。
9.如权利要求6所述的可追踪光学装置，其中所述多个透光区域分别为所述中空壳体的多个开口，且所述光分配元件填充所述多个开口。
10.如权利要求2所述的可追踪光学装置，其中所述多个透光区域分别为所述中空壳体的多个开口。
11.如权利要求1所述的可追踪光学装置，其中所述至少一个入光面的数量与所述至少一个光源的数量皆为二，且所述光源分别光学耦合至所述入光面。
12.如权利要求11所述的可追踪光学装置，其中所述光导元件为管状并具有两端，且所述入光面分别在所述光导元件的该两端。
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