CN104898124A - 深度检测的取样方法及其光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种深度检测的取样方法及其光学装置。该装置根据一时序信号在扫描面上沿着多条扫描线投射出多个投射点。该方法包括下列步骤：将所述扫描线分为至少二个扫描线群组；决定扫描线群组中的一第一扫描线的多个第一取样点；以及决定扫描线群组中的一第二扫描线的多个第二取样点，其中上述第一取样点与上述第二取样点之间沿着扫描线方向具有一相对位移。

Description

深度检测的取样方法及其光学装置

技术领域

本发明涉及一种深度检测的取样方法及其光学装置，特别是一种可大幅地减少光检测的数据处理量并取得其中深度值信息的取样方法及其光学装置。

背景技术

随着科技进步，一种具有体积小、重量轻的特征的微型投影机(PicoProjector，或亦称为Micro-display)已被发展出来。此种微型投影机无论是独立制造或嵌入于行动装置中，用户皆可机动地将所欲呈现的影像对一平面进行投影显示与观看。

目前微型投影机的显示原理主要皆是由光源所产生的光束进行照射，利用诸如单晶硅液晶(Liquid Crystal on Silicon，简称为LCoS)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称为LCD)、数字微型反射镜器(DigitalMicro-mirror Device，简称为DMD)或以微机电(MEMS)技术制作的微型扫描反射镜(Micro Scanning Mirror)等模块端的运作，以及由相关的光学元件将光束进行均匀化、聚焦或整型后投射而出。而在光源的部份，主要分为发光二极管(LED)与激光(Laser)两大类。

请参阅图1，其为现有微型扫描反射镜型式的微型投影机1的投影示意图。如该图所示，此类微型投影机1主要具有RGB三原色的激光光源11和一扫描镜片12，并通过扫描镜片12将色光混合后的光束投影至扫描面，并作水平与垂直二个轴的扫描以呈现出影像。

因此，其影像的呈现是以其中一水平扫描线从画面的一侧扫描至另一侧后，再在相连接的另一条水平扫描线上改变起始扫描的方向(意即奇、偶数的水平扫描线的扫描起点为相反)；如此，依序扫描所有的水平扫描线后便能构成一个投射的画面。

换句话说，此类扫描型式的微型投影机的影像成像方式是在每条扫描线的扫描过程中依序于对应的投射点投射出对应的像素(pixel)，以构成整体影像。此一扫描技术与其他诸如LCoS型式的微型投影机是利用影像面板，并将光束照射于其上以直接作一个面的投影有所不同。

此外，此类扫描型式的投影机亦可用来产生深度检测功能以作为手势控制或其他应用，其可在投影机中设置一光检测元件(Photo Detector，简称为PD)；例如在图1中所示的是一红外光检测元件13。激光光源11可包括一红外线光源，用以发射一红外光，并可由扫描镜片12带动红外光在扫描面上扫描。而在扫描过程中，红外光检测元件13能相应地检测被反射的红外光的红外光强度。

当所检测到的红外光强度愈大时，该投射点被判断为深度值(depth)愈小，也就是所代表的空间距离愈近；相对的，当所检测到的红外光强度愈小时，该投射点则被判断为深度值(depth)愈大，也就是所代表的空间距离愈远。也就是说，通过检测各投射点的红外光强度，便可构成相对应此扫描面的一深度值信息，进而能通过图像处理判断物体的存在或运动，以提供诸如手势或虚拟控制的各种应用。

承上所述，针对不同的成像技术(例如逐点扫描或整个画面投射)，所应用的红外光检测技术也有所不同。以LCoS型式的微型投影机来说，其可采用互补式金属氧化半导体(CMOS)或电荷耦合元件(CCD)的影像检测元件，并直接检测整个画面的红外光强度，接着再由处理器去计算与分析各区域中的红外光强度情形。

由在扫描型式的微型投影机其是在沿着扫描线的扫描过程中依序产生投射点，换句话说，扫描线是由多个投射点所组成。因此，如图1中所示的红外光检测元件13仅需得知各检测到的红外光强度相应的检测时间点，不需再进行进一步的计算或分析就能得到对应投射点的位置及其深度值。

当欲取得整个扫描面的深度值信息时，红外光检测元件13会对每一投射点皆进行检测。然而，当设计红外光检测元件13对每一投射点皆进行检测时，也就是取样点过多的情形下，将会造成数据处理量的大增(需要大量的储存空间与运算时间)；其次，根据目前技术，制作此一红外光检测元件所能表现的反应速度也有硬件上的限制，使得逐点检测的目的无法有效达成。

因此，提出一个可解决此问题的取样方法及具有此取样功能的光学装置便是一重要的议题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深度检测的取样方法及具有此取样功能的光学装置。此一取样方法及其应用装置将可大幅地减少光检测的数据处理量，同时能有效地避免检测上元件反应速度不及的问题。

本发明提出一种深度检测的取样方法，应用于包括一光源扫描模块和一光检测模块的一光学装置，该光源扫描模块用以根据一时序信号在一扫描面上沿着多条扫描线投射出多个投射点，该取样方法包括下列步骤：将所述扫描线分为至少二个扫描线群组；决定扫描线群组中的一第一扫描线的多个第一取样点；以及决定扫描线群组中的一第二扫描线的多个第二取样点，其中上述第一取样点与上述第二取样点之间沿着扫描线方向具有一相对位移。

本发明另提出一种具有深度检测的取样功能的光学装置，包括：一光源扫描模块，用以根据一时序信号在一扫描面上沿着多条扫描线投射出多个投射点；一控制模块，用以将所述扫描线分为至少二个扫描线群组；决定扫描线群组中的一第一扫描线的多个第一取样点；及决定扫描线群组中的一第二扫描线的多个第二取样点，其中上述第一取样点与上述第二取样点之间沿着扫描线方向具有一相对位移；以及一光检测模块，用以根据上述取样点进行检测，并得出每个取样点对应的一深度值。

附图说明

图1为现有微型扫描反射镜型式的微型投影机的投影示意图；

图2为本发明实施例所提出的具有光检测功能的光学装置的功能方块示意图；

图3为本发明实施例中的水平同步信号和致能信号的时序图，及其相应在扫描面上的水平扫描线的取样关系示意图；

图4为本发明实施例所提出的深度检测的取样方法的取样示意图；

图5为本发明实施例的深度值信息的其中一深度信息线上的深度值的位置与各取样点之间的对应关系示意图；

图6为本发明实施例所提出的取样方法的流程图。

【主要元件符号说明】

1：微型投影机                     11：激光光源

12：扫描镜片                      13：红外光检测元件

2：光学装置                       21：控制模块

211：控制反馈单元                 212：处理单元

22：光源扫描模块                  221：激光光源

222：扫描元件                     23：光检测模块

231：模拟数字转换器               232：光检测元件

30：扫描面                        31～34：扫描线

t1：取样时间                      s1～s16：取样点

r1～r16：深度值                   G：扫描线群组

L：深度信息线                     610～640：步骤

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并不会限缩本发明欲保护的范围。此外，实施例中的图式省略不必要的元件，以清楚显示本发明的技术特点。

请参阅图2，其为本发明在一较佳实施例所提出的具有光检测功能的光学装置2的功能方块示意图。如该图所示，光学装置2主要包括一光源扫描模块22、一光检测模块23和一控制模块21。详细来说，光源扫描模块22包括一激光光源221和一扫描元件222；其中激光光源221用以产生检测光束，而扫描元件222则用以带动检测光束以二轴扫描方式在一扫描面上进行扫描。

另一方面，光检测模块23可包括一光检测元件232和一模拟数字转换器(ADC)231，而控制模块21则可包括一控制反馈单元211和一处理单元212。在一实施例中，激光光源221产生的检测光束可为红外线(IR)光束，而光检测元件232用以检测反射的检测光束的光强度，例如检测反射的红外线光束的红外光强度。而所检测到的光强度为一种模拟信号，其能经由模拟数字转换器231作格式转换后而得到相应的深度值(depth)；处理单元212则能将其深度值作相关的应用。

承上所述，本实施例所提出的光学装置2是以一扫描型投影机作其取样的应用说明；也就是其中的光源扫描模块22在进行扫描面投射时，其是在沿着扫描线的扫描过程中依序产生投射点，换句话说，扫描线是由多个投射点所组成。当然，本发明所提出的深度检测的取样方法的应用并不局限于投影机，其应用是可适于任何以二轴扫描方式为主的光学装置。

根据本发明实施例，在扫描过程中，光源扫描模块22根据一时序信号而投射出检测光束，且同时由控制反馈单元211根据时序信号来控制光检测模块23的运作。在其他实施例中，时序信号可为一影像时序信号；也就是将投射出的光束结合影像投影，而激光光源221则进一步包括RGB三原色的色光源用以根据影像时序信号产生对应的影像。

具体而言，控制反馈单元211根据同样的时序信号来决定光检测元件232进行光检测的取样方式，以通过最少的取样点来得出扫描面的深度值信息，以减少对每一投射点作逐一检测所产生的数据量过大以及避免可能的反应速度不及等问题。

请参阅图3，其为本发明实施例中的水平同步信号(H-sync)和致能信号(DE)的时序图，及其相应于扫描面30上的水平扫描线的取样关系示意图。如图3所示，水平同步信号所呈现出的脉冲(pulse)部份代表在扫描面30上其中一条水平扫描线的扫描起始的控制；在此图中仅以其一水平扫描线所相应的水平同步信号作说明，而在扫描面30上的其他水平扫描线亦能以类似的水平同步信号进行逐一的扫描控制。

承上所述，致能信号中的高准位部份代表有效的检测范围，也就是对应每条水平扫描线中具有投射点的部分。换句话说，当检测到致能信号变为高准位时，光源扫描模块22开始根据时序信号而投射出检测光束。根据时序信号的指示，光源扫描模块22会沿着扫描线依序产生投射点，也就是每条水平扫描线包括多个投射点，并在逐一扫描各水平扫描线的过程中，控制反馈单元211同时也可根据时序信号得知各投射点的投射时间及位置。

本发明的概念在于决定出对扫描面30或各扫描线上的哪些投射点进行取样，并仅对决定出的取样点(例如所示的s1、s2)进行光检测。换句话说，在知道所有投射点的投射时间与位置的前提下，便能根据时间点的选择或设定来决定出所需取样、检测的投射点为何，并由光检测元件232对这些取样点(即相应的投射点)进行光检测，以取得对应取样点位置的光强度而产生对应的深度值。根据本发明实施例提出的取样方法，扫描线可分为至少二个群组，而相同群组中的同条扫描线上的相邻取样点之间具有一取样时间t1(或可视为具有一定的投影点数目)，且相同群组中的相邻扫描线上的取样点之间具有一相对位移，以达到通过较少取样点数目得出扫描面的深度值信息的目的。

请参阅图4，其为本发明实施例所提出的深度检测的取样方法的取样示意图。此一取样过程是在检测光束沿扫描线产生投射点的期间同时进行，并在所取样的时间点上进行相应的光检测。在此实施例中是由控制反馈单元211进行取样控制。在本发明实施例中，控制模块21可根据时序信号在扫描面所产生的投射点分布来定义出一投射分辨率。具体而言，投射分辨率可具有一第一水平分辨率和一第一垂直分辨率，其中第一水平分辨率对应于各扫描线包括的投射点数目，而第一垂直分辨率对应于扫描线的数目。换句话说，第一水平分辨率为在水平方向的投射点数目，而第一垂直分辨率为在垂直方向的投射点数目。以下将以此例子作进一步说明本发明实施例提出的取样方法。当然，根据实际的扫描方式，其方向定义亦可对应调整，在此不多赘述。

请参阅图6，其为本发明实施例所提出的取样方法的流程图。首先，在步骤610，控制模块21将多条扫描线分为至少二个扫描线群组。在步骤620，控制模块21决定扫描线群组中的一第一扫描线的多个第一取样点。在步骤630，控制模块21决定扫描线群组中一第二扫描线的多个第二取样点，其中第一取样点与第二取样点之间沿着扫描线方向具有一相对位移。接着，在步骤640，光检测模块23根据上述所有取样点进行检测，并得出每个取样点对应的深度值。在本发明实施例中，第一扫描线与第二扫描线属在相同的扫描线群组。在本发明实施例中，同条扫描线上的相邻取样点之间包括多个投影点数目。

在本发明实施例中，取样方法还可包括步骤：决定一取样时间。控制模块21可根据取样时间来决定同条扫描线上的相邻取样点之间的间隔。在本发明实施例中，同条扫描线上的相邻取样点之间包括多个投影点数目，其对应于取样时间的大小。

承上所述，假设投射分辨率为1024×720，亦即整个扫描面具有720条扫描线，而每条扫描线包括1024个投射点。在步骤610中，控制模块21可根据投射分辨率将多条扫描线分为至少二个扫描线群组。例如：将720条扫描线分为10个扫描线群组，每个扫描线群组包括72条扫描线。

承上所述，在图4的示意中是以一个扫描线群组G作举例说明。在此例中，此一扫描线群组G包括4条扫描线31～34。在此例中，扫描线31、33为相同扫描方向，即由左至右；而扫描线32、34为相同扫描方向，即由右至左。也就是当扫描完扫描线31后，扫描方向在扫描线32上返转，而以和扫描线31的扫描方向相反的方向进行扫描。

以图4为例，根据步骤620，控制模块21决定扫描线群组G中的第一扫描线31的多个第一取样点s1、s2、s3、s4。接着，根据步骤630，控制模块21决定扫描线群组G中第二扫描线32的多个第二取样点s5、s6、s7、s8。其中第一取样点s1、s2、s3、s4与第二取样点s5、s6、s7、s8之间沿着扫描线方向具有一相对位移。

因此，依同样方式可决定出扫描线群组G中其他扫描线33、34的取样点，例如：决定出第三扫描线33的多个第三取样点s9、s10、s11、s12以及第四扫描线34的多个第四取样点s13、s14、s15、s16。在本发明实施例中，同一扫描线群组中各条扫描线的取样点之间沿着扫描线方向具有一交错关系。例如：在扫描线群组G中的扫描线31～34上的取样点S1、S8、S9、S16之间沿着扫描线方向具有相对位移，或在空间位置上具有斜向连接关系，其彼此交错。换句话说，同一扫描线群组中的所有取样点投影在扫描线方向的投影位置不互相重叠。

举例来说，当在步骤620决定第一扫描线31的取样点s1、s2、s3、s4的位置分别为第一扫描线31左侧起的第20、第320、第640和第960个投射点后，在步骤630时可决定第二扫描线32的取样点s8、s7、s6、s5的位置分别为第二扫描线32左侧起的第30、第330、第650和第970个投射点；也就是随着扫描线的向下一条的换行扫描时，决定出的取样点的位置向右侧位移了10个投射点。因此，第一扫描线31的取样点s1、s2、s3、s4及第二扫描线32的取样点s8、s7、s6、s5投影在扫描线方向的投影位置分别为沿扫描线方向左侧起的第20、第320、第640、第960、第30、第330、第650和第970个投射点，其不互相重叠。

需注意的是，由于在扫描面30上的所有投射点的投射时间与位置的信息可由时序信号推算得知，因此在决定出各取样点对应的投射点后，便可根据时序信号的指示，在进行该投射点的投射的同时进行检测的动作及处理。

承上所述，当扫描面30的投射完成时，代表所有的扫描线都已完成扫描；而所有的取样点也都对应地完成相应的光检测，并得到对应个取样点的深度值。接着，根据上述的取样点位置及其对应的深度值，可得到对应扫描面30的一深度值信息。深度值信息包括上述多个深度值，且具有一第二水平分辨率和一第二垂直分辨率。其中第二水平分辨率为深度值信息在水平方向所包括的深度值数目，而第二垂直分辨率为深度值信息在垂直方向所包括的深度值数目。在本发明实施例中，深度值信息的第二水平分辨率和第二垂直分辨率相应于扫描面30的第一水平分辨率和第一垂直分辨率呈现压缩。

本发明针对深度值信息的产生方式，主要是将各扫描线群组中所包括的扫描线进行压缩而形成单一对应的深度信息线。其中，每条深度信息线包括对应扫描线群组中的所有取样点的深度值，亦即每条深度信息线包括的深度值数目等于对应扫描线群组中所包括的取样点数目。以图4为例，此一扫描线群组包括4条扫描线31～34以及16个取样点s1～s16。当得到取样点s1～s16的对应深度值后，处理单元212根据取样点s1～s16的位置将其对应的深度值整合为单一对应的深度信息线，如图5所示，深度信息线包括16个深度值r1～r16。

请同时参阅图4及图5，图5为本发明实施例的深度值信息的其中一深度信息线L上的深度值r1～r16的位置与各取样点s1～s16之间的对应关系示意图。在本发明实施例中，深度信息线上的各深度值的顺序对应于扫描线群组中各取样点投影在扫描线方向的投影位置的顺序。举例来说，在深度信息线上的第一个深度值r1对应于扫描线群组(4条扫描线31～34)中在扫描线方向具有第一投影位置顺序的取样点s1，而第二个深度值r2则对应于扫描线群组(4条扫描线31～34)中在扫描线方向具有第二投影位置顺序的取样点s8，以此类推。接着，处理单元212可继续处理下一个扫描线群组以得到下一条深度信息线。接着，将得到的各深度信息线结合便可得到深度值信息。

如第4、5图所示可知，此实施例将扫描面30的四条扫描线31～34压缩成深度值信息的一条深度信息线，其上并具有十六个深度值r1～r16的分辨率；但在深度值信息的垂直轴上的分辨率则只剩投射点的分辨率的四分之一。

因此，深度值信息的第二垂直分辨率的大小为扫描线群组的数目；或可为将第一垂直分辨率除以特定数目。而深度值信息的第二水平分辨率的大小则为扫描线群组中所有的取样点的数目。

综上所述，借助本发明的取样概念将可大幅地减少数据处理量并有效地避免检测上元件反应速度不及的问题。也由于针对光检测以取得其中的深度值(depth)信息，其深度值信息并不需要比较高的分辨率条件，使得经过特定的取样点选择与垂直轴上的压缩后所产生的深度值信息仍能提供诸如手势或虚拟控制的有效应用。

因此，本发明能有效解决现有技术中所提出的相关问题，而能成功地达到本发明的主要目的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深度检测的取样方法，应用于包括一光源扫描模块和一光检测模块的一光学装置，该光源扫描模块用以根据一时序信号在一扫描面上沿着多条扫描线投射出多个投射点，该取样方法包括下列步骤：

将所述扫描线分为至少二个扫描线群组；

决定该扫描线群组中的一第一扫描线的多个第一取样点；以及

决定该扫描线群组中的一第二扫描线的多个第二取样点，其中所述第一取样点与所述第二取样点之间沿着扫描线方向具有一相对位移。

2.如权利要求1所述的深度检测的取样方法，其特征在于，该光源扫描模块是以二轴扫描方式在该扫描面上进行扫描。

3.如权利要求1所述的深度检测的取样方法，其特征在于，该取样方法包括下列步骤：该光检测模块根据所述取样点进行检测，并得出每个所述取样点对应的一深度值。

4.如权利要求3所述的深度检测的取样方法，其特征在于，该取样方法包括下列步骤：根据所述深度值得出对应该扫描面的一深度值信息，其中该深度值信息包括多条深度信息线，且该深度信息线包括的该深度值的数目等在该扫描线群组中所包括的该取样点的数目。

5.如权利要求1所述的深度检测的取样方法，其特征在于，同条该扫描线上相邻的该取样点之间包括多个该投射点数目。

6.如权利要求1所述的深度检测的取样方法，其特征在于，相同的该扫描线群组中所有的所述取样点之间沿着扫描线方向具有一交错关系。

7.一种具有深度检测的取样功能的光学装置，包括：

一光源扫描模块，用以根据一时序信号在一扫描面上沿着多条扫描线投射出多个投射点；

一控制模块，用以将所述扫描线分为至少二个扫描线群组；决定该扫描线群组中的一第一扫描线的多个第一取样点；以及决定该扫描线群组中的一第二扫描线的多个第二取样点，其中所述第一取样点与所述第二取样点之间沿着扫描线方向具有一相对位移；以及

一光检测模块，用以根据所述取样点进行检测，并得出每个所述取样点对应的一深度值。

8.如权利要求7所述的具有深度检测的取样功能的光学装置，其特征在于，该光源扫描模块包括：

一激光光源，用以产生一检测光束；以及

一扫描元件，用以带动该检测光束以二轴扫描方式在该扫描面上进行扫描。

9.如权利要求7所述的具有深度检测的取样功能的光学装置，其特征在于，该控制模块更用以根据所述深度值得出对应该扫描面的一深度值信息，其中该深度值信息包括多条深度信息线，且该深度信息线包括的该深度值的数目等在该扫描线群组中所包括的该取样点的数目。

10.如权利要求7所述的具有深度检测的取样功能的光学装置，其特征在于，相同的该扫描线群组中所有的所述取样点之间沿着扫描线方向具有一交错关系。