TWI812406B

TWI812406B - 左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置

Info

Publication number: TWI812406B
Application number: TW111130843A
Authority: TW
Inventors: 張朝凱; 陳德請; 楊茹雯; 葉豐銘; 謝雅惠; 張世聰
Original assignee: 張朝凱
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2023-08-11
Also published as: TW202409657A

Abstract

本發明係包括一殼單元、二人工影像調整單元及一控制單元。殼單元具有二透視窗部，其間具有相互平行之二虛擬光軸，使用者之雙眼可分別沿二虛擬光軸、經二透視窗部觀看一實際影像。二人工影像調整單元分別對應二虛擬光軸，每一人工影像調整單元具有一人工影像顯示部、一光學處理部、一平面反射部、一合光部及一焦距調整部；人工影像顯示部產生一人工影像，其經光學處理部傳送至平面反射部，且反射至合光部，再沿虛擬光軸與實際影像重疊而分別抵達雙眼，焦距調整部調整人工影像顯示部與光學處理部之距離，而分別調整雙眼觀看人工影像之清晰度，本案兼具可分別調整雙眼之人工影像之清晰度、不須另設鏡架與鏡片可減少重量，及不須配合不同度數的使用者改變不同的鏡片應用範圍較廣等優點。

Description

左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置

本發明係有關一種左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置，尤指一種兼具可分別調整雙眼之人工影像之清晰度、不須另設鏡架與鏡片可減少重量，及不須配合不同度數的使用者改變不同的鏡片應用範圍較廣之左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置。

現有之增強現實(Augmented Reality，簡稱AR，或稱「擴增實境」)裝置，是一種將數位資訊與實際資訊即時融合的技術。透視近眼顯示技術是AR的關鍵組成部分，透過它可將電腦生成的影像或視頻(亦即數位資訊)顯示在現有之環境影像(亦即實際資訊)上。再者，AR與液晶顯示器、平板顯示器等顯示器不同的部分，在於AR係可穿戴式裝置且非常接近眼睛，因此，不僅需要考慮顯示器的光學性能，還需要考慮使用者的視力。根據最近全球近視患病率的研究，預估到2050年後，世界上一半的人口將成為近視。而目前的AR設計對於有視力障礙(例如)的使用者，可能需要佩戴額外的光學矯正眼鏡。以致於使用者體驗AR的感受、或是AR之設備性能都隨之下降，因為佩戴額外的光學矯正眼鏡使AR設備變笨重且眼睛離出瞳更遠。

舉例來講，「全像透鏡」(Hololens)(微軟)設計就是對視障使用者不太方便的設計。其係將眼鏡裝設於頭配顯示器(Head Mounted Display，HMD)內，以致鏡框可能被擠壓變形或是鏡片被刮傷。且看到的影像有時比沒戴眼鏡的使用者看到的還小。此係因部分之視野(FOV)被Hololens和眼鏡的框架阻擋。當然，使用者亦可選擇佩戴隱形眼鏡，甚至是類似隱形眼鏡的AR裝置。但對於老年人來說，除因眼睛較乾澀而易有不適外，亦因較少使用隱形眼鏡而接受度較低。

就目前的AR設計，當有近視的使用者未配戴光學矯正眼鏡時，在將人工生成的數位影像(或視頻)顯示在實際之環境影像的同時，並沒有可針對使用者的左眼與右眼之近視度數，而分別微調數位影像使其分別符合左眼與右眼之近視度數的設計。

有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置，其兼具可分別調整雙眼之人工影像之清晰度、不須另設鏡架與鏡片可減少重量，及不須配合不同度數的使用者改變不同的鏡片應用範圍較廣等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於就目前的AR設計，當有近視的使用者未配戴光學矯正眼鏡時，在將人工生成的數位影像(或視頻)顯示在實際之環境影像的同時，並沒有可針對使用者的左眼與右眼之近視度數，而分別微調數位影像使其分別符合左眼與右眼之近視度數之問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置，其包括：一殼單元，係具有一第一虛擬光軸、一第二虛擬光軸、一第一透視窗部、一第二透視窗部及一殼內空間；該第一虛擬光軸及該第二虛擬光軸互呈平行，分別用以對應一使用者之雙眼，且分別線性連通該第一透視窗部、該第二透視窗部及該殼內空間，該殼內空間係介於該第一透視窗部與該第二透視窗部之間；使該雙眼可分別沿該第一、該第二虛擬光軸，通過該第一透視窗部及該第二透視窗部，觀看一實際影像；一第一人工影像調整單元，係設於該殼內空間，該第一人工影像調整單元係具有一第一人工影像顯示部、一第一光學處理部、一第一平面反射部、一第一合光部及一第一焦距調整部；該第一人工影像顯示部係用以產生一第一人工影像，該第一人工影像經該第一光學處理部傳送至該第一平面反射部，並經該第一平面反射部反射至該第一合光部，且於該第一合光部與該實際影像重疊，再沿該第一虛擬光軸抵達該雙眼之其中一眼；該第一焦距調整部係連結該第一人工影像顯示部，用以調整該第一人工影像顯示部與該第一光學處理部間之距離，進而調整該雙眼之其中一眼觀看該第一人工影像之清晰度；一第二人工影像調整單元，係設於該殼內空間，該第二人工影像調整單元係具有一第二人工影像顯示部、一第二光學處理部、一第二平面反射部、一第二合光部及一第二焦距調整部；該第二人工影像顯示部係用以產生一第二人工影像，該第二人工影像經該第二光學處理部傳送至該第二平面反射部，並經該第二平面反射部反射至該第二合光部，且於該第二合光部與該實際影像重疊，再沿該第二虛擬光軸抵達該雙眼之其中另眼；該第二焦距調整部係連結該第二人工影像顯示部，用以調整該第二人工影像顯示部與該第二光學處理部間之距離，進而調整該雙眼之其中另眼觀看該第二人工影像之清晰度；及一控制單元，係連結而用以控制該第一人工影像顯示部、該第一焦距調整部、該第二人工影像顯示部及該第二焦距調整部。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10:殼單元

11:第一透視窗部

12:第二透視窗部

13:殼內空間

20:第一人工影像調整單元

21:第一人工影像顯示部

22:第一光學處理部

23:第一平面反射部

24:第一合光部

25:第一焦距調整部

30:第二人工影像調整單元

31:第二人工影像顯示部

32:第二光學處理部

33:第二平面反射部

34:第二合光部

35:第二焦距調整部

40:控制單元

50:瞳孔移動偵測部

51:分光鏡

52:偵測結構

61:第一偏光鏡

62:第二偏光鏡

91:使用者

92:雙眼

M1:第一虛擬光軸

M2:第二虛擬光軸

N:實際影像

N1:第一人工影像

N2:第二人工影像

L0:原始距離

L1:第一光學距離

L2:第二光學距離

第1圖係本發明之實施例之示意圖。

第2A圖係本發明之第一人工影像顯示部與該第一光學處理部之第一種對應關係之示意圖。

第2B圖係本發明之第二人工影像顯示部與該第二光學處理部之第一種對應關係之示意圖。

第2C圖係第2A(第2B)圖之第一(第二)光學處理部之應用例之示意圖。

第3A圖係本發明之第一人工影像顯示部與該第一光學處理部之第二種對應關係之示意圖。

第3B圖係本發明之第二人工影像顯示部與該第二光學處理部之第二種對應關係之示意圖。

第3C圖係第3A(第3B)圖之第一(第二)光學處理部之應用例之示意圖。

第4圖係本發明之第一應用例之示意圖。

第5圖係本發明之第二應用例之示意圖。

參閱第1、第2A、第2B、第2C、第3A、第3B、第3C、第4及第5圖，本發明係為一種左右眼可分別微調出清晰的人工生成影像的增強現實裝置，其包括：一殼單元10，係具有一第一虛擬光軸M1、一第二虛擬光軸M2、一第一透視窗部11、一第二透視窗部12及一殼內空間13。該第一虛擬光軸M1及該第二虛擬光軸M2互呈平行，分別用以對應一使用者91之雙眼92，且分別線性連通該第一透視窗部11、該第二透視窗部12及該殼內空間13，該殼內空間13係介於該第一透視窗部11與該第二透視窗部12之間。使該雙眼92可分別沿該第一、該第二虛擬光軸M1與M2，通過該第一透視窗部11及該第二透視窗部12，觀看一實際影像N。

一第一人工影像調整單元20，係設於該殼內空間13，該第一人工影像調整單元20係具有一第一人工影像顯示部21、一第一光學處理部22、一第一平面反射部23、一第一合光部24及一第一焦距調整部25。該第一人工影像顯示部21係用以產生一第一人工影像N1，該第一人工影像N1經該第一光學處理部22傳送至該第一平面反射部23，並經該第一平面反射部23反射至該第一合光部24，且於該第一合光部24與該實際影像N重疊，再沿該第一虛擬光軸M1抵達該雙眼92之其中一眼。該第一焦距調整部25係連結該第一人工影像顯示部21，用以調整該第一人工影像顯示部21與該第一光學處理部22間之距離，進而調整該雙眼92之其中一眼觀看該第一人工影像N1之清晰度。

一第二人工影像調整單元30，係設於該殼內空間13內，該第二人工影像調整單元30係具有一第二人工影像顯示部31、一第二光學處理部32、一第二平面反射部33、一第二合光部34及一第二焦距調整部35。該第二人工影像顯示部31係用以產生一第二人工影像N2，該第二人工影像N2經該第二光學處理部32傳送至該第二平面反射部33，並經該第二平面反射部33反射至該第二合光部34，且於該第二合光部34與該實際影像N重疊，再沿該第二虛擬光軸M2抵達該雙眼92之其中另眼。該第二焦距調整部35係連結該第二人工影像顯示部31，用以調整該第二人工影像顯示部31與該第二光學處理部32間之距離，進而調整該雙眼92之其中另眼觀看該第二人工影像N2之清晰度。

一控制單元40，係連結而用以控制該第一人工影像顯示部21、該第一焦距調整部25、該第二人工影像顯示部31及該第二焦距調整部35。

實務上，參閱第2A及第2C圖，關於該第一人工影像顯示部21與該第一光學處理部22之第一種對應關係：該第一人工影像顯示部21係設於該第一光學處理部22與該第一平面反射部23之間。

該第一光學處理部22可為拋物面鏡結構。

參閱第2B及第2C圖，關於該第二人工影像顯示部31與該第二光學處理部32之第一種對應關係：該第二人工影像顯示部31係設於該第二光學處理部32與該第二平面反射部33之間。

該第二光學處理部32可為拋物面鏡結構。

參閱第3A及第3C圖，關於該第一人工影像顯示部21與該第一光學處理部22之第二種對應關係：該第一光學處理部22係設於該第一人工影像顯示部21與該第一平面反射部23之間。

該第一光學處理部22可為拋物面鏡結構及雙曲面鏡結構之組合裝置。

參閱第3B及第3C圖，關於該第二人工影像顯示部31與該第二光學處理部32之第二種對應關係：該第二光學處理部32係設於該第二人工影像顯示部31與該第二平面反射部33之間。

該第二光學處理部32可為拋物面鏡結構及雙曲面鏡結構之組合裝置。

又，該第一平面反射部23可為平面反射鏡結構。

該第一合光部24可為合光鏡結構。

該第二平面反射部33可為平面反射鏡結構。

該第二合光部34可為合光鏡結構。

進一步，本案可再包括(如第1、第2A及第3A圖所示)：至少一瞳孔移動偵測部50，係設於該殼內空間13，並電性連結該控制單元40，該至少一瞳孔移動偵測部50係包括一分光鏡51及一偵測結構52。

該分光鏡51係設於該第一虛擬光軸M1、該第二虛擬光軸M2其中至少一者上，用以將該雙眼92相對應之該眼的瞳孔影像，反射至該偵測結構52，該偵測結構52係接收該瞳孔影像，而用以判定該眼之移動方向。進而控制該第一人工影像N1、該第二人工影像N2其中一者，隨該眼之移動方向移動(可提高視野)。

一第一偏光鏡61，係設於該殼內空間13，並與該第一虛擬光軸M1同軸；一第二偏光鏡62，係設於該殼內空間13，並與該第二虛擬光軸M2同軸，該第二偏光鏡62之偏光方向係與該第一偏光鏡61相差90度。

藉此，該第一人工影像N1係經該第一偏光鏡61，而抵達該雙眼92之其中一眼；該第二人工影像N2係經該第二偏光鏡62，而抵達該雙眼92之其中另眼，進而使該雙眼92產生一立體影像效果。

在此要特別說明的部分是，因該雙眼92係透過該第一及該第二透視窗部11與12(該第一及該第二合光部24與34並不影響該實際影像N)直接透視外界景物(亦即該實際影像N)，所以外界景物之視野並不受反射式鏡組(亦即該第一人工影像調整單元20及該第二人工影像調整單元30)影響。

但是，人工影像(亦即該第一人工影像N1及該第二人工影像N2)路徑則會受反射式鏡組視野限制，故當使用眼位追蹤裝置(亦即該至少一瞳孔移動偵測部50)時，即可追蹤眼球(例如該雙眼92之該瞳孔影像)水平運動方向，再由該控制單元40即時配合眼球運動而調整人工影像之畫面移動，進而能增加可視畫面範圍。

本案之重點在於，當應用於有視力障礙的該使用者91時，該使用者91並不須要佩戴額外的光學矯正眼鏡。因本案針對這個部分，具有下列設計：

[a]第一焦距調整部25。參閱第2A圖，該第一人工影像調整部20設有該第一焦距調整部25，其係連結該第一人工影像顯示部21及該控制單元40。

假設該第一人工影像顯示部21與該第一光學處理部22之間具有一原始距離L0，則為對應該雙眼92之其中一眼的度數，可透過該第一焦距調整部25調整成一第一光學距離L1(相當於是調整焦距)，使得該雙眼92之其中一眼可清楚看到(提高清晰度)該第一人工影像N1。

[b]第二焦距調整部35。參閱第2B圖，該第二人工影像調整部30設有該第二焦距調整部35，其係連結該第二人工影像顯示部31及該控制單元40。

假設該第二人工影像顯示部31與該第二光學處理部32之間具有該原始距離L0，同樣為對應該雙眼92之其中另眼的度數，可透過該第二焦距調整部35調整成一第二光學距離L2(相當於是調整焦距)，使得該雙眼92之其中另眼可清楚看到(提高清晰度)該第二人工影像N2。

尤其，不須要增設其他鏡架或是光學鏡片，且不須要配合不同的該使用者91再更換不同度數的光學鏡片(有的人為高度數近視)，更是大幅提高便利性及接受度。

關於本案之光學調焦的部分，舉例來講，該控制單元40可內建下列(公式1)與(公式2)：X*X'=f² (公式1)

D=1/(X') (公式2)

其中：f代表鏡組焦距(例如為20mm)。

X是顯示器移動距離(例如該第一光學距離L1，或是該第二光學距離L2)。

當X與X’的單位是米，則D*100即為度數。

進一步可得到(表1)：

本案之優點及功效可以歸納為：

[1]可分別調整雙眼之人工影像之清晰度。以對應該雙眼之其中一眼之該第一人工影像調整部為例，其係設置該第一焦距調整部，該第一焦距調整部係連結該第一人工影像顯示部及該控制單元。假設該第一人工影像顯示部與該第一光學處理部之間具有一原始距離，則為對應該雙眼之其中一眼的度數，可透過該第一焦距調整部調整成一第一光學距離(亦即調焦)，使得該雙眼之其中一眼可清楚看到(提高清晰度)該第一人工影像。至於該雙眼之其中另眼則是對應該第二人工影像調整部，調整方式相同，恕不贅述。故，可分別調整雙眼之人工影像之清晰度。

[2]不須另設鏡架與鏡片可減少重量。本案只要調整相對應之該人工影像顯示部與該光學處理部之間的距離，便可調整而提高人工影像之清晰度，並不須另設鏡架與鏡片，有效減少重量。故，不須另設鏡架與鏡片可減少重量。

[3]不須配合不同度數的使用者改變不同的鏡片應用範圍較廣。本案並非透過光學鏡片調整人工影像之清晰度，所以不須配合不同的使用者而改變不同的鏡片(尤其有的使用者為高度數近視，鏡片須訂做，取得不易)。故，不須配合不同度數的使用者改變不同的鏡片應用範圍較廣。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。