CN116710833A - 具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，包括：显示部，显示虚拟影像；成像光学系统，把显示在显示部的虚拟影像所射出的虚拟影像图像光予以折射或反射；反射部，由多个反射模块组成，把成像光学系统折射或反射的虚拟影像图像光朝用户眼睛的瞳孔反射传递，从而为用户提供虚拟影像；光学机构，配置了由多个反射模块组成的反射部，把从真实事物射出的真实事物图像光朝向用户眼睛的瞳孔透射；位置调节装置，以平行于成像光学系统光轴的方向移动显示部与成像光学系统中的至少某一个；焦距追踪部，测量用户的焦距；及，控制部，以焦距追踪部所测量的用户的焦距为基础控制位置调节装置的移动；控制部控制位置调节装置的移动以便让显示在显示部的虚拟影像的深度相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。

Description

具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置
技术领域
本发明涉及一种增强现实用光学装置，更详细地，涉及一种具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置。
背景技术
如所周知，增强现实(AR，Augmented Reality)指的是在现实世界的真实影像上叠加诸如计算机之类的装置所提供的虚拟影像或图像后提供。
为了实现这样的增强现实，需要一种能将诸如计算机之类的装置所生成的虚拟影像或图像叠加到现实世界的影像上后提供的光学系统。关于这样的光学系统则已揭示了下述技术，即，利用头戴式显示器(HMD，Head Mounted Display)或眼镜型装置并使用反射或折射虚拟影像的棱镜之类的光学机构。
但使用现有光学系统的这类装置却存在着下列问题，由于其结构复杂而使得其重量和体积很重很大，让用户佩戴不方便，其制造工艺也复杂而制造成本高昂。
而且现有装置存在着下述局限性，即，如果用户在注视现实世界时改变焦距的话虚拟影像会失焦。为了解决该问题而提出了一些技术，例如，使用能够把对于虚拟影像的焦距予以调节的棱镜之类部件，或者根据焦距的改变对可变焦透镜进行电控制。
但这种技术也因为下述原因而存在着问题，即，用户为了调节焦距而需要另行操作，或者另外需要用于控制焦距的处理器之类的硬件和软件。
为了解决现有技术的这些问题，本申请人开发了如专利文献1所记载的装置，该装置利用尺寸小于人的瞳孔的反射部把虚拟影像通过瞳孔投影到视网膜而实现增强现实。
图1示出了专利文献1所示增强现实用光学装置100。
图1的增强现实用光学装置100包括光学机构101、反射部102、图像射出部103及框架部104。
光学机构101让作为从真实事物射出的图像光的真实事物图像光的至少一部分透射，例如，其可以是眼镜镜片，在其内部以埋设方式配置反射部102。而且，光学机构101还执行下述功能，即，把反射部102所反射的增强现实图像光予以透射以便传递到瞳孔。
框架部104是一种把图像射出部103与光学机构101予以固定及支持的机构，例如可以是眼镜架等。
图像射出部103是一种把增强现实图像光予以射出的机构，该增强现实图像光则是相应于增强现实用图像的图像光，作为一例，可包括把增强现实用图像显示于屏幕放射增强现实图像光的小型显示装置、把显示装置所放射的图像光准直成平行光的准直器(collimator)。
反射部102将图像射出部103射出的相应于增强现实用图像的图像光朝用户的瞳孔反射而提供增强现实用图像。
图1的反射部102以小于人瞳孔尺寸的小尺寸形成，即，以8mm以下的尺寸形成，如前所述地让反射部102小于瞳孔尺寸地形成的话，能使通过反射部102入射到瞳孔的光的景深接近无限大，即，能使景深非常深。
在此，景深(Depth of Field)指的是被认知为对焦的范围，景深变深意味着对于增强现实用图像的焦距也变深。因此，即使用户在注视真实世界时改变了对于真实世界的焦距，用户也会不受其影像地始终认为增强现实用图像的焦点是对焦的。这可以视为一种针孔效应(pinhole effect)。
因此，用户即使在注视真实世界上存在的真实事物时改变了焦距，用户也能对增强现实用图像始终看到清晰的虚拟影像。
另一方面，依据该原理配置多个反射部102的话能拓宽视角。
图2示出了利用多个反射部102的增强现实用光学装置200的一例，是将增强现实用光学装置200置于瞳孔105正面时从侧面查看的侧视图。
图2的增强现实用光学装置200由于多个反射部102配置在光学机构101内部而使得到视角大于图1所示情形，但用户的焦点位置和虚拟影像的基准深度不同时，在多个反射部102的境界部会不连续地观察到虚拟影像。
图3用于说明多个反射部102的境界部上发生的问题。
图3中，六角形表示由一个反射部102显示给用户的虚拟影像。
图3的(a)是用户的焦点位置和虚拟影像的基准深度一致的情形，在以圆标示的反射部102的境界部没有发现特别的问题。
图3的(b)是用户的焦点位置从虚拟影像的基准深度脱离的情形，在以六角形显示的诸多反射部102的境界部，可见虚拟影像互相错开而重复显示或分裂显示。
图3的(c)是用户的焦点位置从虚拟影像的基准深度脱离较多的情形，在以六角形显示的诸多反射部102的境界部，虚拟影像更严重地重复显示或分裂显示。
如前所述，使用多个反射部102时，用户的焦点位置和对虚拟影像的预设基准深度不同的话，虚拟影像在多个反射部102的境界部错开而使得虚拟影像不清晰。针对虚拟影像设定的基准深度和用户的焦点位置的不一致程度越大这种现象越严重。
专利文献
韩国授权专利公报第10-1660519号(2016.09.29公告)
发明内容
技术课题
本发明旨在解决前文所述的问题，本发明的目的是提供一种具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，该装置能防止多个反射部的境界部上可能会发生的虚拟影像错开的现象。
技术方案
为了解决所述课题，本发明揭示一种具有虚拟影像的焦点调节功能的增强现实用光学装置，作为具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，包括：显示部，显示虚拟影像；成像光学系统，把显示在所述显示部的虚拟影像所射出的虚拟影像图像光予以折射或反射；反射部，由多个反射模块组成，把所述成像光学系统折射或反射的虚拟影像图像光朝用户眼睛的瞳孔反射传递，从而为用户提供虚拟影像；光学机构，配置了所述由多个反射模块组成的反射部，把从真实事物射出的真实事物图像光朝向用户眼睛的瞳孔透射；位置调节装置，以平行于所述成像光学系统光轴的方向移动所述显示部与所述成像光学系统中的至少某一个；焦距追踪部，测量用户的焦距；及，控制部，以所述焦距追踪部所测量的用户的焦距为基础控制所述位置调节装置的移动；所述控制部控制所述位置调节装置的移动以便让显示在所述显示部的虚拟影像的深度相应于所述焦距追踪部所测量的用户的焦距。
在此，所述成像光学系统可以是准直器。
而且，所述多个反射模块能各自以4mm以下的尺寸形成。
而且，所述位置调节装置能以来自所述控制部的控制信号为基础把显示部与成像光学系统中至少某一个以平行于成像光学系统光轴的方向移动。
而且，所述控制部能依据以下数学式控制位置调节装置的移动以便让虚拟影像的深度d相应于所述焦距追踪部所测量的用户的焦距，
其中，d是虚拟影像的深度，d0是光学机构与成像光学系统之间的距离，g是显示部与成像光学系统之间的距离，f是成像光学系统的焦距。
而且，所述控制部能控制位置调节装置的移动以便调节所述成像光学系统与显示部之间的距离g并从而让虚拟影像的深度d相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
而且，所述控制部能控制位置调节装置的移动以便调节所述成像光学系统的位置d0并从而让虚拟影像的深度d相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
而且，所述控制部能控制位置调节装置的移动以便同时调节所述成像光学系统的位置d0与所述成像光学系统与显示部之间的距离g并从而让虚拟影像的深度d相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
而且，所述成像光学系统是可变焦透镜，所述控制部能控制位置调节装置的移动以便调节所述成像光学系统的焦距f并从而让虚拟影像的深度d相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
发明效果
依据本发明，能提供具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其能防止多个反射部的境界部上可能会发生的虚拟影像错开的现象。
附图说明
图1示出了专利文献1所示增强现实用光学装置100。
图2示出了利用多个反射部102的增强现实用光学装置200的一例，是将增强现实用光学装置200置于瞳孔105正面时从侧面查看的侧视图。
图3用于说明多个反射部102的境界部上发生的问题。
图4示出了本发明的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置300的一个实施例。
图5用于说明位置调节装置60的配置的一例示，示出配置了位置调节装置60、显示部10及成像光学系统20的壳体90的剖视图。
图6与图7用于说明控制部80及位置调节装置60的动作。
图8是示出用户观察的虚拟影像与真实世界事物的增强现实屏幕。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
图4示出了本发明的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置300(以下简称“增强现实用光学装置300”)的一个实施例。
请参阅图4，本实施例的增强现实用光学装置300包括显示部10、成像光学系统20、反射部30、光学机构40、位置调节装置60、焦距追踪部70及控制部80。
显示部10是显示虚拟影像的机构。
显示部10能以下述小型LCD之类的显示装置构成，其把虚拟影像显示到屏幕而通过屏幕把作为相应于虚拟影像的图像光的虚拟影像图像光予以射出。
在此，虚拟影像(virtual image)指的是显示到显示部10的屏幕并通过成像光学系统20及反射部30传递到用户瞳孔50的图像，可以是图像(image)形态的静止影像或视频。
该显示部10本身并不是本发明的直接目的并且已借由现有技术被周知，因此这里不进行详细说明。
该虚拟影像和真实事物图像光一起传递到用户的瞳孔50而让用户享受虚拟影像与真实事物重叠的增强现实服务，真实事物图像光则是通过光学机构40传递的真实世界上存在的真实事物所射出的图像光。
成像光学系统20是一种把显示在显示部10的虚拟影像所射出的虚拟影像图像光予以折射或反射的机构。
成像光学系统20把虚拟影像图像光折射或反射后传递给反射部30，例如，可以是把显示在显示部10的虚拟影像图像光折射后以平行光予以射出的准直器(collimator)之类的透镜。
除此之外，也可以使用其它各种光学器件，该各种光学器件则由把虚拟影像图像光传递给光学机构40的反射部30的其它反射机构、折射机构或衍射机构中的至少某一个组合构成。
该成像光学系统20也不是本发明的直接目的并且已借由现有技术被周知，因此这里不进行详细说明。
反射部30执行下述功能，即，把成像光学系统20折射或反射的虚拟影像图像光朝用户眼睛的瞳孔50反射而传递并从而为用户提供虚拟影像。
反射部30由多个反射模块31～34组成。参考成像光学系统20与瞳孔50的位置后把反射模块31～34以妥当的倾斜角度配置于光学机构40的内部以便把成像光学系统20所传递的虚拟影像图像光各自予以反射并传递到用户的瞳孔50。
如同前文结合图1所说明者，为了让景深更深以便得到针孔效应，优选地，反射模块31～34各自以小于人瞳孔尺寸的8mm以下尺寸形成，更优选地，以4mm以下形成。
也就是说，反射模块31～34各自以小于一般人瞳孔尺寸地形成，优选地形成为8mm以下，更优选地形成为4mm以下，凭此，能使得对于通过各个反射模块31～34入射到瞳孔的光的景深(Depth of Field)接近无限远，即，能使景深很深。
因此能得到针孔效应(pinhole effect)，即，即使用户在注视真实世界时改变了对于真实世界的焦距，用户也会不受其影像地始终认为虚拟影像的对焦成功。
另一方面，本发明中反射模块31～34的尺寸过小时反射模块31～34上的衍射(diffraction)现象会变大，因此反射模块31～34各自的尺寸大于诸如0.3mm较佳。
在此，反射模块31～34各自的尺寸可以是各反射模块31～34的边缘境界线上的任何两点之间的最大距离。
或者，反射模块31～34各自的尺寸可以是各反射模块31～34投影到下述平面的正射投影的边缘境界线上的任何两点之间的最大长度，该平面则是垂直于瞳孔50与反射模块31～34之间的直线并且包含瞳孔50中心的平面。
另一方面，反射模块31～34各自以不遮蔽成像光学系统20所射出的虚拟影像图像光传递到其它反射模块31～34的方式配置。
由图4可知，光学机构40置于瞳孔50正面时，显示部10及成像光学系统20配置在光学机构40的上部，众多反射模块31～34则相对于成像光学系统20的光轴倾斜地配置以避免遮蔽传向其它反射模块31～34的虚拟影像图像光。
在此，光轴(optical axis)指的是经过成像光学系统20中心的直线。
在光学机构40配置了由多个反射模块31～34组成的反射部30，该机构把真实事物所射出的真实事物图像光朝向用户眼睛的瞳孔50透射。
在此，光学机构40把真实事物图像光的全部朝向瞳孔50透射，但也可以只将真实事物图像光的一部分朝向瞳孔50透射。
光学机构40能以玻璃或塑料材质及其它合成树脂材料的透镜形成，能具备各种折射率及透明度。
位置调节装置60发挥出把显示部10与成像光学系统20中至少某一个沿着平行于成像光学系统20光轴的方向予以移动的功能。
即，位置调节装置60依据来自控制部80的控制信号把显示部10与成像光学系统20中的至少某一个以平行于成像光学系统20光轴的方向予以移动。
作为一例，位置调节装置60能由马达和将马达的旋转运动转换成直线运动的机构组成。
图5用于说明位置调节装置60的配置的一例示，示出配置了位置调节装置60、显示部10及成像光学系统20的壳体90的剖视图。
请参阅图5，壳体90内部配置显示部10与成像光学系统20，成像光学系统20固定在壳体90的下部面上。显示部10则没有固定在壳体90。
而且，壳体90内部配置了构成位置调节装置60的马达61、螺丝部62、突起部63及移动部64。
马达61根据控制部80的控制信号进行正向或逆向旋转，螺丝部62结合马达61的旋转轴并且以马达61旋转的方向一起旋转。而且，螺丝部62形成有螺纹。
突起部63固定结合在移动部64并且和螺丝部62的螺纹啮合。因此，螺丝部62旋转时突起部63沿着螺丝部62的螺纹以平行于光轴的方向(箭头方向)中的某一个方向移动，凭此，移动部64也以相同方向一起移动。
移动部64没有固定在壳体90，因此根据马达60的旋转方向而朝上或朝下移动，凭此，显示部10也以朝上或朝下的某一方向，即，以平行于成像光学系统20光轴的方向中的某一方向移动。
图5的位置调节装置60呈现的是成像光学系统20被固定而只有显示部10移动的情形，但也可以实现与其相反的情形。
而且，当然也能让显示部10与成像光学系统20各自结合位置调节装置60而驱使两者都移动。
在本发明，除了图5所示结构以外，位置调节装置60也可以使用能依据来自控制部80的控制信号把显示部10及成像光学系统20中的至少某一个予以移动的其它妥当的结构，这是理所当然的。
下面再结合图4说明焦距追踪部70与控制部80。
焦距追踪部70是一种测量用户的焦距的机构。
焦距追踪部70实时追踪并测量对于用户所注视的真实世界的焦距后传输到控制部80。
焦距追踪部70能由诸如深度相机(depth camera)与眼球追踪装置实现。焦距追踪部70并不是本发明的直接目的并且能使用现有的已知技术，因此这里不进行详细说明。
控制部80是一种以焦距追踪部70所测用户的焦距为基础控制位置调节装置60的移动的机构。
即，控制部80控制位置调节装置60的移动以便让显示在显示部10的虚拟影像的深度和焦距追踪部70所测量的用户的焦距相应。
图6与图7用于说明控制部80及位置调节装置60的动作。
图6的(a)简略示出了图4的增强现实用光学装置300，为了说明方便起见，只显示了一个反射模块31。
图6的(b)以经过反射模块31表面的垂直线作为对称轴把图6的(a)的显示部10及成像光学系统20予以对称移动后显示了显示部10及成像光学系统20。
图7以针孔(pinhole)替代图6的(b)中的反射模块31，图7是图6的(a)以针孔替代了反射模块31的等值光学系统。它们在光学上是相同的等值关系，因此下面结合图7说明。
在图7，贯穿瞳孔中心的虚拟垂直线相应于光学机构40的中心轴。
在图7的等值光学系统，虚拟影像的深度d能以如下数学式1表示。
[数学式1]
在此，d表示虚拟影像的深度(depth)。虚拟影像的深度指的是，虚拟影像被用户观察的位置，意味着用户所认知的、虚拟影像相对于光学机构40所处的距离。
而且，d0是光学机构40与成像光学系统20之间的距离，g是显示部10与成像光学系统20之间的距离。而且，f是成像光学系统20的焦距。
这可以从如下透镜公式导出。
假设d是虚拟影像的深度，即，假设d是光学机构40到虚拟影像为止的距离的话，就成为
在透镜公式中，一般透镜是d0＝0，但是，为了以被针孔替代的反射模块31为基准，偏移值适用了d0。
将其整理的话如下。
依据该原理，让虚拟影像的深度d和焦距追踪部70所测量的用户的焦距相应的话，如图3所说明，不会发生虚拟影像在反射模块31～34的境界部互相错开而重复地呈现或者分裂地呈现的问题，能始终得到清晰的虚拟影像。
f(成像光学系统20的焦距)是固定值，因此，虚拟影像的深度d可以使用下述方法，把d0予以固定(即，把成像光学系统20的位置予以固定)而调节g，即调节成像光学系统20与显示部10之间的距离。
在此，由于成像光学系统20的位置是固定的，因此让显示部10沿着和光轴平行的方向移动而能够调节g。
焦距追踪部70所测量的用户的焦距为r时，控制部80计算符合d＝r的g后把用于移动显示部10位置以便相应于g的控制信号传输到位置调节装置60。
如同前面结合图5所说明，位置调节装置60以从控制部80传输的控制信号为基础驱使马达61及螺丝部62旋转。因此，突起部63使得移动部64以上下方向(箭头方向)中的某一方向移动地进行调节以便相应于显示部10与成像光学系统20之间的距离，即，相应于控制部80算出来的g。
作为其它方法，也可以使用调节d0的方法，即调节成像光学系统20的位置的方法。在该方法可以使用下列方法，把g作为固定值而只调节d0的方法、同时调节d0与g的方法。
即使在这种情形下，控制部80在求得符合d＝r的d0或求得d0与g后，把下述控制信号传输给位置调节装置60而如前所述地调节虚拟影像的深度d，该控制信号用来移动成像光学系统20与显示部10的位置以便与此相应。
图8是示出用户观察的虚拟影像与真实世界事物的增强现实屏幕。
图8的(a)示出了用户对焦于处于较远距离的真实世界事物(花)时虚拟影像(斑马)错开呈现的情形。这是因为，虚拟影像的预设深度d与用户的焦距如前所述地不一致。
图8的(b)示出了以前面说明的原理为基础相应于用户的焦距地调节了虚拟影像的深度d的情形。如图所示，虚拟影像(斑马)与用户对焦的真实世界事物(花)全部没有错开现象地可清晰观看。
另一方面，在所述实施例以成像光学系统20具有固定焦距f的情形进行了说明，但也可以使用可改变焦距f的可变焦透镜。
可变焦透镜指的是凭借化学物质的组合利用电信号、化学信号或物理信号改变折射率等因素而得以改变焦点的光学器件。
可变焦透镜本身并不是本发明的直接目的并且已借由现有技术被周知，因此这里不进行详细说明。
使用该可变焦透镜的话，可以在前面说明的数学式1调节f而调节虚拟影像的深度d。这种情形下，可以使用只调节f或者和前面说明的方法并行地把f、g、d0中一个以上的组合予以调节的方法。
前文结合本发明的优选实施例说明了本发明，但本发明并不局限于所述实施例，能实行各种修改及变形，这是理所当然的。

Claims (9)

1.一种具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
包括：
显示部，显示虚拟影像；
成像光学系统，把显示在所述显示部的虚拟影像所射出的虚拟影像图像光予以折射或反射；
反射部，由多个反射模块组成，把所述成像光学系统折射或反射的虚拟影像图像光朝用户眼睛的瞳孔反射传递，从而为用户提供虚拟影像；
光学机构，配置了所述由多个反射模块组成的反射部，把从真实事物射出的真实事物图像光朝向用户眼睛的瞳孔透射；
位置调节装置，以平行于所述成像光学系统光轴的方向移动所述显示部与所述成像光学系统中的至少某一个；
焦距追踪部，测量用户的焦距；及，
控制部，以所述焦距追踪部所测量的用户的焦距为基础控制所述位置调节装置的移动；
所述控制部控制所述位置调节装置的移动以便让显示在所述显示部的虚拟影像的深度相应于所述焦距追踪部所测量的用户的焦距。
2.根据权利要求1所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述成像光学系统是准直器。
3.根据权利要求1所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述多个反射模块各自以4mm以下的尺寸形成。
4.根据权利要求1所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述位置调节装置以来自所述控制部的控制信号为基础把显示部与成像光学系统中至少某一个以平行于成像光学系统光轴的方向移动。
5.根据权利要求4所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述控制部依据以下数学式控制位置调节装置的移动以便让虚拟影像的深度(d)相应于所述焦距追踪部所测量的用户的焦距，
其中，d是虚拟影像的深度，d0是光学机构与成像光学系统之间的距离，g是显示部与成像光学系统之间的距离，f是成像光学系统的焦距。
6.根据权利要求5所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述控制部控制位置调节装置的移动以便调节所述成像光学系统与显示部之间的距离g并从而让虚拟影像的深度(d)相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
7.根据权利要求5所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述控制部控制位置调节装置的移动以便调节所述成像光学系统的位置d0并从而让虚拟影像的深度(d)相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
8.根据权利要求5所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述控制部控制位置调节装置的移动以便同时调节所述成像光学系统的位置d0与所述成像光学系统与显示部之间的距离g并从而让虚拟影像的深度(d)相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
9.根据权利要求5所述的具有虚拟影像深度调节功能的增强现实用光学装置，其特征在于，
所述成像光学系统是可变焦透镜，
所述控制部控制位置调节装置的移动以便调节所述成像光学系统的焦距f并从而让虚拟影像的深度(d)相应于焦距追踪部所测量的用户的焦距。
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