CN109507844A - 结构光投影机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种结构光投影机，包含绕射光学元件，接收准直光并产生多个光砖。绕射光学元件包含多个光学组成元件，设于基板上，其中绕射光学元件的光学组成元件随机设于基板上。

Description

结构光投影机
技术领域
本发明涉及一种投影机，特别是涉及一种结构光(structured-light)投影机。
背景技术
小型或微型光学投影机可适用于各种应用，例如投射结构光图案于物件上，进行三维或深度映射(mapping)。在三维映射系统中，使用影像提取装置(例如相机)以提取投射于物件的影像图案。提取影像经处理后，可建构物件的三维图。
传统投影机因为低解码率(decode rate)而造成不良的效能。此外，即使光学制造的进步使得光学系统小型化的成本降低，然而传统投影机对于体积或/且成本仍有相当的改善空间。
鉴于传统投影机的效能不佳、体积庞大或价格昂贵，因此亟需提出一种新颖的结构光投影机，使得效能得以有效增进或/且体积或成本可以降低。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种具有增进效能或/且减少体积或成本的结构光投影机。
根据本发明实施例，结构光投影机包含光源、光束限制装置及绕射光学元件。光源产生具有预设图案的发射光。光束限制装置接收发射光并产生准直光。绕射光学元件接收准直光并产生多个光砖，该绕射光学元件包含多个光学组成元件，随机设于基板上。
根据本发明另一实施例，结构光投影机包含点光源、光束限制装置、图案化装置及绕射光学元件。点光源产生发射光。光束限制装置接收发射光并产生准直光。图案化装置接收准直光并产生图案光。绕射光学元件接收图案光并产生多个光砖，该绕射光学元件包含多个光学组成元件，随机设于基板上。根据本发明又一实施例，绕射光学元件位于图案化装置之前。
附图说明
图1A为本发明第一实施例的结构光投影机的方块图；
图1B为图1A的结构光投影机的示意图；
图2A为光源的部分半导体二极管，分为相邻二群而依序点亮的示意图；
图2B为光源的部分半导体二极管，分为交叉的二群而依序点亮的示意图；
图2C为光源的部分半导体二极管，依形状分为交叉的二群而依序点亮的示意图；
图3A与图3B为绕射光学元件的光学组成元件为周期性设置的示意图；
图3C与图3D为本发明实施例当中图1B的绕射光学元件的光学组成元件，其随机或非周期性设置的示意图；
图3E为绕射光学元件的边缘设有较多的光学组成元件的示意图；
图3F为针对绕射光学元件的光学组成元件进行校正的示意图；
图4为本发明实施例的结构光投影机的剖视图；
图5A为本发明第二实施例的结构光投影机的方块图；
图5B为图5A的结构光投影机的示意图；
图6为本发明第二实施例的变化型的结构光投影机的方块图。
符号说明
100 结构光投影机
200 结构光投影机
300 结构光投影机
11 光源
12 光束限制装置
13 绕射光学元件
131 光学组成元件
132 基板
14 图案化装置
31 芯片
32 基底
33 准直透镜
34 第一间隔物
35 第二间隔物
DOE 绕射光学元件
f 焦距
具体实施方式
图1A显示本发明第一实施例的结构光投影机100的方块图，且图1B例示图1A的结构光投影机100的示意图。结构光投影机100较佳为一种小型光学投影机，适用以投射结构光图案于物件上，以进行三维映射。
在本实施例中，结构光投影机100可包含光源11，其产生具有预设图案的发射光。发射光可以为可见光或/且不可见光(例如红外线)。本实施例的光源11可包含半导体二极管阵列，根据预设图案排列。在一优选实施例中，光源11可包含垂直腔面射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)二极管阵列，设于基板(未显示)上，并根据预设图案排列。由此，垂直腔面射型激光(VCSEL)二极管作为光源11，同时执行光发射与图案化。垂直腔面射型激光(VCSEL)二极管可用以制造小型且高密度光源。
在一实施例中，光源11的半导体二极管可依序点亮，因而得以于近区域达到功耗降低、解码率增强或/且效能改善。图2A显示光源11的部分半导体二极管，分为相邻二群而依序点亮。图2B显示光源11的部分半导体二极管，分为交叉的二群而依序点亮。光源11的半导体二极管的形状与大小可彼此相异。图2C显示光源11的部分半导体二极管，依形状分为交叉的二群而依序点亮。
本实施例的结构光投影机100可包含光束限制(beam limiting)装置12，其接收(来自光源11的)发射光并限缩发射光的截面，因而形成准直(collimated)光。在一优选实施例中，光束限制装置12可包含准直透镜，其可包含透明材质(例如塑胶或玻璃)，且可使用晶片级光学(WLO)技术制造。如图1B所例示(但不限定于此)，准直透镜(亦即光束限制装置12)于面向光源11的一侧(例如左侧)为平面，而于另一侧(例如右侧)为凸面。虽然图1B所例示的光束限制装置12包含单一透镜，然而也可使用多个透镜或多组透镜以建构光束限制装置12。
本实施例的结构光投影机100可包含绕射光学元件(diffractiveopticalelement,DOE)13，其接收(来自光束限制装置12的)准直光，并产生多个光砖(lighttile)，每一光砖复制光源11所产生的预设图案。光砖以二维方式互相间隔。如图1B所例示，本实施例的绕射光学元件13可包含多个光学组成元件(例如绕射光学组成元件)131，设于基板132上。光学组成元件131可设在相反于光束限制装置12的一侧(例如右侧)。绕射光学元件13可包含透明材质，例如塑胶或玻璃。
根据本实施例的特征之一，绕射光学元件13的光学组成元件131是随机设于基板132。在本说明书中，“随机”一词是指光学组成元件131沿至少一方向(例如水平方向)为非周期性或非相关(uncorrelated)。换句话说，光学组成元件131沿特定方向(例如水平方向或X方向)不具有或重复任何样式。由此，相邻光砖可部分重叠。换句话说，光砖复制光源11的预设图案是互相部分重叠。
图3A例示绕射光学元件的光学组成元件为周期性设置，每一列间距相同且垂直互相对准。图3B例示绕射光学元件的光学组成元件为周期性设置，每一列间距相同但垂直互相交错。图3C例示本发明实施例当中图1B的绕射光学元件13的光学组成元件131，其随机或非周期性设置。一般来说，光学组成元件131是从周期性排列位置沿至少一方向作随机些微的移动。在一实施例中，光学组成元件131的移动范围需小于预设范围，使得远区域物件的投射影像的光点密度可维持高于预设临界值。图3D显示每一光学组成元件131于相应边界130当中随机移动，其中每一边界130的中心位于周期性排列的未移动位置。值得注意的是，边界130彼此不重叠。换句话说，相邻边界130之间需存在具有预设值的间隙。
对于具有周期排列的光学组成元件的投影机，其效能(特别是解码率)很差，主要是因为其具有高度重复图案，因而增加图案匹配的困难。相反地，在本实施例中，结构光投影机100的光学组成元件131是随机排列，因而克服周期排列的光学组成元件的投影机的缺失，因而得以大量地增进解码率与效能。
再者，根据光学理论，如果降低图1B所例示准直透镜(亦即光束限制装置12)的焦距f，则投射于远区域物件的光源11的预设图案，其放大率将跟着提高。值得注意的是，放大率的提高并不会影响本实施例的解码率效能。因此，结构光投影机100的整体体积得以降低，因此可以小型化投影机。再者，由于绕射光学元件13的光学组成元件131是随机排列，光源11的垂直腔面射型激光(VCSEL)二极管的数目可以减少而不会影响远区域物件的投射影像的光点密度。因此，结构光投影机100的整体成本得以降低，使得投影机的价格更便宜。
在一实施例中，设于绕射光学元件13边缘的光学组成元件131的密度高于其他区域。换句话说，绕射光学元件13的边缘较其他区域设有较多的光学组成元件131。因此，远区域物件的投射影像的边缘的光点密度可大致相同于其他区域，不会受到非近轴失真(non-paraxial distortion)的影响，因而增强三维映射。图3E例示绕射光学元件13的边缘设有较多的光学组成元件131。
在另一实施例中，针对绕射光学元件13的光学组成元件131进行校正，用以补偿远区域物件的投射影像于边缘处所产生的光学失真(optical distortion)。图3F例示针对绕射光学元件13的光学组成元件131进行校正。
图4例示本发明实施例的结构光投影机100的剖视图。在本实施例中，结构光投影机100可包含芯片31(作为光源11)，其包含有垂直腔面射型激光(VCSEL)二极管。芯片31设置于基底32上。结构光投影机100可包含准直透镜33(作为光束限制装置12)，其通过第一间隔物34与芯片31、基底32相隔离。结构光投影机100可包含绕射光学元件13，其通过第二间隔物35与准直透镜33相隔离。由此，准直透镜33位于芯片31与绕射光学元件13之间。
图5A显示本发明第二实施例的结构光投影机200的方块图，且图5B例示图5A的结构光投影机200的示意图，与前一实施例相同的技术细节予以省略。
在本实施例中，结构光投影机200可包含光源11，特别是点光源，以产生发射光。本实施例的光源11可包含单一半导体二极管。在一优选实施例中，光源11可包含边射型激光(edge-emitting laser)二极管。
本实施例的结构光投影机200可包含光束限制(beam limiting)装置12，其接收(来自光源11的)发射光并限缩发射光的截面，因而形成准直(collimated)光。在一优选实施例中，光束限制装置12可包含准直透镜，其可包含透明材质(例如塑胶或玻璃)，且可使用晶片级光学(WLO)技术制造。
本实施例的结构光投影机200可包含图案化装置(patterning device)14，其接收(来自光束限制装置12的)准直光，并产生图案光。在一实施例中，图案化装置14可包含绕射光学元件，或其他适当光学元件用以产生具有预设图案的图案光。
本实施例的结构光投影机200可包含绕射光学元件(DOE)13，其接收(来自图案化装置14的)图案光，并产生多个光砖(light tile)，每一光砖复制图案化装置14所产生的预设图案。光砖以二维方式互相间隔。如图5B所例示，本实施例的绕射光学元件13可包含多个光学组成元件(例如绕射光学组成元件)131，设于基板132上。类似于前一实施例，绕射光学元件13的光学组成元件131是随机设于基板132。
图6显示本发明第二实施例的变化型的结构光投影机300的方块图。本实施例类似于图5A的实施例，不同的地方在于，本实施例的绕射光学元件13位于图案化装置14之前。因此，绕射光学元件13接收(来自光束限制装置12的)准直光，并产生多个(不具有图案的)光砖。接下来，图案化装置14接收(来自绕射光学元件13的)光砖，并产生图案光砖，每一图案光砖复制图案化装置14所产生的预设图案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所附的权利要求内。

Claims (14)

1.一种结构光投影机，包含：
绕射光学元件，接收准直光并产生多个光砖，该绕射光学元件包含多个光学组成元件，设于一基板上；
其中该绕射光学元件的光学组成元件随机设于该基板上。
2.根据权利要求1所述的结构光投影机，其中该光学组成元件沿至少一方向为非周期性或非相关。
3.根据权利要求1所述的结构光投影机，其中设于该绕射光学元件边缘的光学组成元件的密度高于其他区域。
4.一种结构光投影机，包含：
光源，产生具有预设图案的发射光；
光束限制装置，接收发射光并产生准直光；及
绕射光学元件，接收准直光并产生多个光砖，该绕射光学元件包含多个光学组成元件，随机设于一基板上。
5.根据权利要求4所述的结构光投影机，其中该光源包含半导体二极管阵列，根据该预设图案排列。
6.根据权利要求5所述的结构光投影机，其中该半导体二极管包含垂直腔面射型激光。
7.根据权利要求5所述的结构光投影机，其中该半导体二极管分为多个群并依序点亮。
8.根据权利要求7所述的结构光投影机，其中不同群的半导体二极管具有不同形状或大小。
9.根据权利要求4所述的结构光投影机，其中设于该绕射光学元件边缘的光学组成元件的密度高于其他区域。
10.一种结构光投影机，包含：
点光源，产生发射光；
光束限制装置，接收发射光并产生准直光；
图案化装置，接收准直光并产生图案光；及
绕射光学元件，接收图案光并产生多个光砖，该绕射光学元件包含多个光学组成元件，随机设于一基板上。
11.根据权利要求10所述的结构光投影机，其中该点光源包含边射型激光二极管。
12.根据权利要求10所述的结构光投影机，其中设于该绕射光学元件边缘的光学组成元件的密度高于其他区域。
13.一种结构光投影机，包含：
点光源，产生发射光；
光束限制装置，接收发射光并产生准直光；
绕射光学元件，接收图案光并产生多个光砖，该绕射光学元件包含多个光学组成元件，随机设于一基板上；及
图案化装置，接收光砖并产生图案光砖。
14.根据权利要求13所述的结构光投影机，其中设于该绕射光学元件边缘的光学组成元件的密度高于其他区域。
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