TWI705355B - 可追蹤光學裝置 - Google Patents

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Abstract

一種可追蹤光學裝置可被具有影像感測器的電子裝置追蹤。可追蹤光學裝置包含光導元件、至少一光源以及遮蔽元件。光導元件具有相連的至少一入光面以及出光面。前述至少一光源配置以由前述至少一入光面發射光線進入光導元件。遮蔽元件遮蔽光導元件，並具有至少一透光區域。

Description

可追蹤光學裝置
本發明是有關於一種電子裝置，特別是有關於一種可追蹤光學裝置。
人機互動領域中快速發展的技術之一是各種頭戴式顯示器(HMD)，其可以佩戴在使用者的頭上，並且具有一個或兩個顯示器位於使用者眼睛前面。這種類型的顯示器具有多個商業應用，涉及虛擬現實的模擬，包括視頻遊戲，醫學，運動訓練，娛樂應用等。在遊戲領域中，這些顯示器可用於例如渲染三維(3D)虛擬遊戲世界。
如今，計算機視覺方法，特別是物件追踪，被廣泛用於各種應用中。例如，可以在虛擬實境(VR)系統中使用物件追踪來檢測使用者持有的手柄的位置。更具體地，手柄的位置和方位可以藉由檢測手柄上的特徵點來確定。然而，當在昏暗環境中被保持在高強度光源前面時，手柄的特徵點總是難以被檢測到。
因此，提出一種可解決上述問題的可追蹤光學裝置，是目前業界亟欲投入研發資源解決的問題之一。
有鑑於此，本發明之一目的在於提出一種可有效解決前述問題的可追蹤光學裝置。
為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，一種可追蹤光學裝置可被具有影像感測器的電子裝置追蹤。可追蹤光學裝置包含光導元件、至少一光源以及遮蔽元件。光導元件具有相連的至少一入光面以及出光面。前述至少一光源配置以由前述至少一入光面發射光線進入光導元件。遮蔽元件遮蔽光導元件，並具有至少一透光區域。
於本發明的一或多個實施方式中，遮蔽元件包含中空殼體。光導元件的至少一部分在中空殼體內。
於本發明的一或多個實施方式中，光導元件與前述至少一光源在中空殼體內。
於本發明的一或多個實施方式中，前述至少一光源位於中空殼體外。
於本發明的一或多個實施方式中，遮蔽元件進一步包含反射層或光擴散結構。反射層或光擴散結構在中空殼體的內表面上。
於本發明的一或多個實施方式中，可追蹤光學裝置進一步包含光分配元件。光分配元件在中空殼體內。光分配元件連接光導元件，並光學耦合於出光面與前述至少一透光區域之間。
於本發明的一或多個實施方式中，光導元件與光分配元件形成單體結構，並具有不同折射率。
於本發明的一或多個實施方式中，光導元件的折射率大於光分配元件的折射率。
於本發明的一或多個實施方式中，光分配元件係可拆卸地銜接光導元件。
於本發明的一或多個實施方式中，前述至少一透光區域為中空殼體的至少一開口。光分配元件填充前述至少一開口。
於本發明的一或多個實施方式中，前述至少一透光區域為中空殼體的至少一開口。
於本發明的一或多個實施方式中，中空殼體包含相連的非透明部分以及至少一透明部分。前述至少一透明部分做為至少一透光區域。
於本發明的一或多個實施方式中，前述至少一入光面的數量與前述至少一光源的數量皆為二。光源分別光學耦合至入光面。
於本發明的一或多個實施方式中，光導元件為管狀並具有兩端。入光面分別在光導元件的兩端。
於本發明的一或多個實施方式中，遮蔽元件為塗佈於光導元件的出光面上的不透明層。
綜上所述，在本發明之可追蹤光學裝置中，在光源發射光線進入光導元件之後，光線可被傳遞於光導元件中，並由光導元件的出光面均勻地離開。離開光導元件的光線穿過遮蔽元件的透光區域以被偵測。因此，可追蹤光學裝置可提供容易被辨識之具有高亮度對比的可追蹤光學特徵，如此可追蹤 光學裝置的位置與方位即可輕易地被判定。此外，藉由使用光導元件傳遞由光源所發射的光線並均勻地分配由其出光面離開的光線，對於增加光源數量的需求可大幅降低，如此可追蹤光學裝置的電功耗是低的。
以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、100I‧‧‧可追蹤光學裝置
110‧‧‧光導元件
111‧‧‧入光面
112‧‧‧出光面
120‧‧‧光源
130A、130D、130F、130G‧‧‧中空殼體
130I‧‧‧不透明層
131‧‧‧非透明部分
131a、131a’‧‧‧開口
131b‧‧‧內表面
132‧‧‧反射層
133‧‧‧光擴散結構
134‧‧‧透明部分
140‧‧‧光分配元件
141‧‧‧連接部
141a‧‧‧凹陷
142‧‧‧延伸部
900‧‧‧頭戴式顯示器
910‧‧‧相機
E1、E2‧‧‧端
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖為根據本發明一些實施方式繪示使用者與頭戴式顯示器(HMD)和可追蹤光學裝置互動的示意圖。
第2A圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的局部示意圖。
第2B圖為根據本發明一些實施方式繪示第2A圖中之可追蹤光學裝置的另一局部示意圖。
第3圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的剖面圖。
第4圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的剖面圖。
第5圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的剖面圖。
第6圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的 剖面圖。
第7圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的剖面圖。
第8圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置中之元件的示意圖。
第9圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的示意圖。
第10圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的示意圖。
第11圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的剖面圖。
第12圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置的示意圖。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之，且不同實施方式中的相同元件以相同的元件符號標示。
請參照第1圖。第1圖為根據本發明一些實施方式繪示使用者與頭戴式顯示器(HMD)900和可追蹤光學裝置 100A互動的示意圖。於一些實施方式中，頭戴式顯示器900可與計算機裝置無線通訊(例如，WiFi、Bluetooth等)。於一些實施方式中，頭戴式顯示器900可直接連接至計算機裝置或經由網路(例如，互聯網)與計算機裝置通訊。舉例來說，計算機裝置可為網路上提供遊戲服務的伺服器。於一些實施方式中，頭戴式顯示器900為遊戲裝置，且遊戲由頭戴式顯示器900直接執行而無須外部裝置運行。
於一些實施方式中，頭戴式顯示器900配備有相機910於其上。相機910可以是常規的影像照相機、立體相機(亦即，具有從遊戲區域擷取影像的兩個或多個鏡頭)、紅外線相機、深度相機、3D相機等。由相機910所拍攝的影像可被處理以追蹤可追蹤光學裝置100A的位置與移動。可追蹤光學裝置100A可為如第1圖所示之單手控制器，但本發明並不以此為限。
於一些實施方式中，使用者手持可追蹤光學裝置100A。相機910被用來追蹤可追蹤光學裝置100A的位置與移動，且有關於可追蹤光學裝置100A之運動的操作可用作遊戲的輸入。舉例來說，可追蹤光學裝置100A可代表一把劍的把柄，且劍在遊戲場景中顯示。當使用者移動可追蹤光學裝置100A，劍在虛擬世界中與可追蹤光學裝置100A同步移動。因此，玩家能夠執行以劍為武器的格鬥遊戲操作。於一實施方式中，頭戴式顯示器900與可追蹤光學裝置100A之間的相對位置被計算。遊戲使用此相對位置使遊戲物件與頭戴式顯示器900同步移動。
請參照第2A圖以及第2B圖。第2A圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100A的局部示意圖。第2B圖為根據本發明一些實施方式繪示第2A圖中之可追蹤光學裝置100A的另一局部示意圖。可追蹤光學裝置100A包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件。光導元件110具有相連的入光面111以及出光面112。光源120配置以由入光面111發射光線進入光導元件110。遮蔽元件遮蔽光導元件110，並具有複數個透光區域。
於一些實施方式中，如第2A圖與第2B圖所示，遮蔽元件包含中空殼體130A。光導元件110與光源120在中空殼體130A內。於一些實施方式中，光導元件110為管狀。入光面111在光導元件110的一端E1。也就是說，入光面111為光導元件110的一端面，且出光面112為光導元件110由端E1延伸遠離的曲面。於一些實施方式中，入光面111與出光面112形成光導元件110的整體外觀面。在光源120發射光線進入光導元件110之後，光線可被傳遞於光導元件110中，並由光導元件110的出光面112均勻地離開。詳細來說，根據全內反射原理，光源120的光通量連續地傳遞至光導元件110中的另一端。光導元件110可由透明材料(例如，塑料、聚合物、玻璃等)所製成，因此當光線不滿足全內反射的條件時，光線會由光導元件110的出光面112射出。因此，除了傳遞光源120的光通量，光導元件110亦在整個出光面112發射光線。
於實務中，光導元件110的一些設計參數(例如，光源120所發射之光線的角度、光導元件110的形狀、光導元 件110的材料等)可藉由光學模擬軟體的協助而調整，以讓光線均勻地由出光面112離開。
請參照第3圖。第3圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100A的剖面圖。如第2A圖至第3圖所示，於一些實施方式中，中空殼體130A包含非透明部分131，且遮蔽元件的透光區域為非透明部分131的開口131a。於一些實施方式中，非透明部分131可由不透明材料所製成。於一些實施方式中，非透明部分131可由透明材料所製成，並具有一不透明層塗佈於非透明部分131的內表面131b(及/或外表面)。在光線由出光面112離開光導元件110之後，一些光線可經由開口131a直接離開中空殼體130A以被偵測，而一些光線在經由開口131a離開中空殼體130A以被偵測之前可被非透明部分131的內表面131b反射一或多次。因此，在經由開口131a離開中空殼體130A之前，大部分的光線可在中空殼體130A內均勻地混合。
藉由前述光學配置，可追蹤光學裝置100A可提供容易被辨識之具有高亮度對比的可追蹤光學特徵，如此可追蹤光學裝置100A的位置及/或方位即可輕易地被判定。此外，藉由使用光導元件110傳遞由光源120所發射的光線並均勻地分配由其出光面112離開的光線，對於增加光源120數量的需求可大幅降低，如此可追蹤光學裝置100A的電功耗是低的。
請參照第4圖。第4圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100B的剖面圖。如第4圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100B包含光導元件110、光源120 以及遮蔽元件，且遮蔽元件包含中空殼體130A。光導元件110、光源120與中空殼體130A係相同或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第4圖所示之實施方式的遮蔽元件進一步包含在中空殼體130A的內表面131b上的反射層132。因此，在中空殼體130A內反射的光線可以更均勻地混合且具有較少的光損失。於一些實施方式中，反射層132可為一金屬層，但本發明並不以此為限。
請參照第5圖。第5圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100C的剖面圖。如第5圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100C包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件，且遮蔽元件包含中空殼體130A。光導元件110、光源120與中空殼體130A係相同或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第5圖所示之實施方式的遮蔽元件進一步包含在中空殼體130A的內表面131b上的光擴散結構133。因此，在中空殼體130A內反射的光線可以更均勻地混合。於一些實施方式中，光擴散結構133可包含複數個微小突起(例如，白點)，其分布在中空殼體130A的內表面131b上，但本發明並不以此為限。於一些實施方式中，中空殼體130A的內表面131b可具有大的表面粗糙度，以做為光擴散結構133。換句話說，光擴散結構133可為中空殼體130A的一內部部分。
請參照第6圖。第6圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100D的剖面圖。如第6圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100D包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件。光導元件110與光源120係相同或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第6圖所示之實施方式的遮蔽元件包含中空殼體130D。中空殼體130D包含相連的非透明部分131以及複數個透明部分134。透明部分134做為遮蔽元件的透光區域。換言之，中空殼體130D不具有開口，且在中空殼體130D內反射的光線可經由透明部分134離開中空殼體130D。因此，光導元件110與光源120可被密封於中空殼體130D內，如此可以防止污垢(例如，灰塵或液體)進入中空殼體130D。於一些實施方式中，非透明部分131可由不透明材料所製成。於一些實施方式中，非透明部分131與透明部分134可由透明材料所製成，並具有一不透明層塗佈於非透明部分131的內表面131b(及/或外表面)。於一些實施方式中，結構/紋路/特徵可添加於透明部分134的表面，以增加光均勻性並自由定義擴散角度。
請參照第7圖。第7圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100E的剖面圖。如第7圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100E包含兩光導元件110、兩光源120以及遮蔽元件。兩光源120分別光學耦合至兩光導元件110。光導元件110、光源120與遮蔽元件係相同或相似於第2A 圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，由於第7圖所示之實施方式的可追蹤光學裝置100E包含兩光導元件110與兩光源120，因此可追蹤光學裝置100E可具有較大的總光輸出。因此，可追蹤光學裝置100E可提供更容易被辨識之具有高亮度對比的可追蹤光學特徵。
請參照第8圖。第8圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置(例如，如第2A圖至第3圖所示之可追蹤光學裝置100A)中之元件的示意圖。如第2A圖與第8圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100A可包含一光導元件110以及兩光源120。光導元件110具有兩入光面111，分別在光導元件110的兩端E1、E2。入光面111與出光面112形成光導元件110的整體外觀面。因此，較大的光通量可傳遞於光導元件110內，且離開光導元件110之出光面112的光線可具有較大的總光輸出，如此可追蹤光學裝置100A可提供更容易被辨識之具有高亮度對比的可追蹤光學特徵。
請參照第9圖。第9圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100F的示意圖。如第9圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100F包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件。光導元件110與光源120係相同或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第9圖所示之實施方式的遮蔽元件包含中 空殼體130F，且光導元件110穿過中空殼體130F。換言之，光源120在中空殼體130F外。因此，光源120可根據所需輕易地由其他種類的光源(例如，其他顏色的光源)替換。
請參照第10圖。第10圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100G的示意圖。如第10圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100G包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件。光導元件110與光源120與中空殼體130A係相同或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第10圖所示之實施方式的遮蔽元件包含中空殼體130G。中空殼體130G具有延伸於其一側表面的開口131a’。光導元件110的出光面112接觸開口131a’的一邊緣。換句話說，光導元件110的出光面112靠近開口131a’，如此離開中空殼體130G的大部分光線係由出光面112直接行進至開口131a’。於一些實施方式中，光導元件110的出光面112可進一步密封開口131a’。因此，由於出光面112形成可追蹤光學裝置100G之外觀面的一部分，可追蹤光學裝置100G可具有較少的光損失，且提供具有最高亮度對比的可追蹤光學特徵。此外，可以藉由光導元件110防止污垢(例如，灰塵或液體)進入中空殼體130G。
請參照第11圖。第11圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100H的剖面圖。如第11圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100H包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件。光導元件110、光源120與遮蔽元件係相同 或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第11圖所示之實施方式的遮蔽元件進一步包含在中空殼體130A內的光分配元件140。光分配元件140連接光導元件110，並光學耦合於出光面112與透光區域(亦即，開口131a)之間。如前所述，光線係均勻地離開光導元件110的出光面112。光分配元件140配置以接收離開出光面112的光線，並將所接受之光線均勻地分配到每一開口131a。詳細來說，同樣根據全內反射的原理，由光導元件110的出光面112發射的光線係經由光分配元件140向前傳遞。光分配元件140可較直接地將光通量由光導元件110的出光面112導引至開口131a。於一些實施方式中，光分配元件140可由透明材料所製成(例如，塑料、聚合物、玻璃等)。
於一些實施方式中，光分配元件140包含連接部141以及連接至連接部141之複數個延伸部142。光分配元件140係經由連接部141可拆卸地銜接光導元件110。具體來說，連接部141具有凹陷141a，且光導元件110容納於凹陷141a內且銜接凹陷141a，如此離開光導元件110的出光面112的大部分光線可以盡可能地由連接部141所接收。延伸部142由連接部141分別延伸至開口131a。於一些實施方式中，延伸部142分別完整填充開口131a，如此可以防止污垢(例如，灰塵或液體)進入中空殼體130A。於一些實施方式中，除了與光導元件110的出光面112接觸的表面以及分別由開口131a暴露的表面之外，光分配元件140的其他表面可以反射層(例如，金屬層) 塗佈以避免漏光。於一些實施方式中，為了使光通量無礙地由光導元件110傳遞至光分配元件140，光導元件110與光分配元件140可由相同材料所製成。
於一些實施方式中，光導元件110與光分配元件140形成一單體結構，並具有不同折射率。於一些實施方式中，為了使光通量無礙地由光導元件110傳遞至光分配元件140，光導元件110的折射率大於光分配元件140的折射率。
請參照第12圖。第12圖為根據本發明一些實施方式繪示可追蹤光學裝置100I的示意圖。如第12圖所示，於一些實施方式中，可追蹤光學裝置100I包含光導元件110、光源120以及遮蔽元件。光導元件110與光源120係相同或相似於第2A圖至第3圖所示之實施方式中的對應元件，因此這些元件的描述皆相同，且為了簡潔而在此述不贅述。相比於第2A圖至第3圖所示之實施方式，第12圖所示之實施方式的遮蔽元件為塗佈於光導元件110的出光面112上的不透明層130I。因此，由於出光面112的一部分形成可追蹤光學裝置100I的外觀面的一部分，可追蹤光學裝置100I可具有較少的光損失，且提供具有最高亮度對比的可追蹤光學特徵。
由以上對於本發明之具體實施方式之詳述，可以明顯地看出，在本發明之可追蹤光學裝置中，在光源發射光線進入光導元件之後，光線可被傳遞於光導元件中，並由光導元件的出光面均勻地離開。離開光導元件的光線穿過遮蔽元件的透光區域以被偵測。因此，可追蹤光學裝置可提供容易被辨識之具有高亮度對比的可追蹤光學特徵，如此可追蹤光學裝置的 位置與方位即可輕易地被判定。此外，藉由使用光導元件傳遞由光源所發射的光線並均勻地分配由其出光面離開的光線，對於增加光源數量的需求可大幅降低，如此可追蹤光學裝置的電功耗是低的。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並不用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100A‧‧‧可追蹤光學裝置
110‧‧‧光導元件
111‧‧‧入光面
112‧‧‧出光面
120‧‧‧光源
130A‧‧‧中空殼體
131‧‧‧非透明部分
131a‧‧‧開口
131b‧‧‧內表面
E1‧‧‧端

Claims (13)

  1. 一種可追蹤光學裝置，可被具有一影像感測器的一電子裝置追蹤，該可追蹤光學裝置包含：一光導元件，具有相連的至少一入光面以及一出光面；至少一光源，配置以由該至少一入光面發射光線進入該光導元件；一遮蔽元件，遮蔽該光導元件，並具有複數個透光區域；以及一光分配元件，連接該光導元件，並包含複數個延伸部分別延伸至該些透光區域。
  2. 如請求項第1項所述之可追蹤光學裝置，其中該遮蔽元件包含一中空殼體，且該光導元件的至少一部分在該中空殼體內。
  3. 如請求項第2項所述之可追蹤光學裝置，其中該光導元件與該至少一光源在該中空殼體內。
  4. 如請求項第2項所述之可追蹤光學裝置，其中該至少一光源位於該中空殼體外。
  5. 如請求項第2項所述之可追蹤光學裝置，其中該遮蔽元件進一步包含一反射層或一光擴散結構，且該反射層或該光擴散結構在該中空殼體的一內表面上。
  6. 如請求項第2項所述之可追蹤光學裝置，其中該光分配元件在該中空殼體內，並光學耦合於該出光面與該些透光區域之間。
  7. 如請求項第6項所述之可追蹤光學裝置，其中該光導元件與該光分配元件形成一單體結構，並具有不同折射率。
  8. 如請求項第7項所述之可追蹤光學裝置，其中該光導元件的該折射率大於該光分配元件的該折射率。
  9. 如請求項第6項所述之可追蹤光學裝置，其中該光分配元件係可拆卸地銜接該光導元件。
  10. 如請求項第9項所述之可追蹤光學裝置，其中該些透光區域分別為該中空殼體的複數個開口，且該光分配元件填充該些開口。
  11. 如請求項第2項所述之可追蹤光學裝置，其中該些透光區域分別為該中空殼體的複數個開口。
  12. 如請求項第1項所述之可追蹤光學裝置，其中該至少一入光面的數量與該至少一光源的數量皆為二，且 該些光源分別光學耦合至該些入光面。
  13. 如請求項第12項所述之可追蹤光學裝置，其中該光導元件為管狀並具有兩端，且該些入光面分別在該光導元件的該兩端。
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