CN110568652A - 图案产生装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种图案产生装置，包括光源、第一全像聚合物分散液晶组件、第二全像聚合物分散液晶组件和电源供应器。第一全像聚合物分散液晶组件，位于光源的光路下游，第一全像聚合物分散液晶组件设有第一相位信息的图案。第二全像聚合物分散液晶组件，位于第一全像聚合物分散液晶组件的光路下游，第二全像聚合物分散液晶组件设有一定义光栅的图案。电源供应器分别与第一全像聚合物分散液晶组件和第二全像聚合物分散液晶组件电性连接。本发明另提出一种图案产生装置的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种图案产生装置及图案产生装置制造方法。
背景技术
关于求解物体表面的形貌，编码结构光被认为是可靠的技术。结构光指的是一些具有特定图案的光，从最简单的线，面到格状等更复杂的图形都有。基本原理就是将一个或多个结构光投射到对象或场景上，并从一个或多个视角取像。由于图案已被编码，取像的点和投射点之间的对应关系，可以很容易地找到。译码后的各点可以利用三角函数法求解物体的三维信息。应用实例包括目标深度量测、距离侦测、制造零件的检测、逆向工程、手势识别和三维地图的建立。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中具有通常知识者所知道的习知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表所述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中具有通常知识者所知晓或认知。
发明内容
本发明的其他目的和优点可以从本发明实施例所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
根据本发明的一个观点，提供一种图案产生装置，包括光源、第一全像聚合物分散液晶组件、第二全像聚合物分散液晶组件和电源供应器。第一全像聚合物分散液晶组件，位于光源的光路下游，第一全像聚合物分散液晶组件设有第一相位信息的图案。第二全像聚合物分散液晶组件，位于第一全像聚合物分散液晶组件的光路下游，第二全像聚合物分散液晶组件设有一定义光栅的图案。电源供应器分别与第一全像聚合物分散液晶组件和第二全像聚合物分散液晶组件电性连接。通过电源供应器没有施加电压给第一全像聚合物分散液晶组件，使光源发出的光线经过第一全像聚合物分散液晶组件，转换成对应于第一相位信息图案的第一图案影像光，再通过电源供应器施加或没有施加电压给第二全像聚合物分散液晶组件，使第一图案影像光离开第二全像聚合物分散液晶组件时，直线或被偏折一角度，投射到待测物上。
根据本发明的另一个观点，提供一种图案产生装置，包括光源、可在绕射状态和非切换绕射状态切换的第一光栅、可在绕射状态和非切换绕射状态切换的第二光栅、光学绕射组件和电源供应器。第一光栅，位于光源的光路下游。第二光栅，位于第一光栅的光路下游。光学绕射组件，位于第二光栅的光路下游，设有相位信息的图案。电源供应器分别与第一光栅和第二光栅电性连接。通过电源供应器提供电压给第一光栅或第二光栅其中之一，使光源发出的光线经过第一光栅或第二光栅，被转折第一角度或第二角度入射到光学绕射组件，再转换成相对应相位信息图案的图案影像光，直线或被偏折一角度，投射到待测物上。
本发明实施例的一种图案产生装置，可提供一个光线相对准直，低功耗，低成本并可产生周期性图案的光学装置，进而扩大结构光可以应用的领域。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是一种深度量测系统的架构示意图。
图2是本发明一实施例图案产生装置的架构示意图。
图3A和图3B分别是图2中全像聚合物分散液晶组件的截面图及透视图。
图4A和图4B分别是可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅在被施加电压和没有被施加电压下的截面示意图。
图5是本发明一实施例图案产生装置将图案投射在待侧物的示意图。
图6A和图6B分别是本发明另一实施例图案产生装置架构在不同运作状态下的示意图。
图6C是图6A和图6B中图案产生装置分别将不同图案投射在待侧物的示意图。
图6D是图6A和图6B中图案产生装置分别将不同图案投射在手体的示意图。
图7A和图7B分别是本发明再一实施例图案产生装置架构在不同运作状态下的示意图。
图8是本发明又一实施例图案产生装置的架构示意图。
图9是本发明另一实施例图案产生装置的架构示意图。
主要元件符号说明
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、“第二”是为了辨识相同或相似的组件而使用，幷非用以限定所述组件。
图1是一种深度量测系统的架构示意图。请参照图1，深度量测系统100 包括图案产生装置110以及摄像装置120。深度量测系统100用以量测待测物130的表面深度，其中待测物130的深度可通过图案产生装置110投射结构光到待侧物130上，以及摄像装置120撷取待侧物130上的结构光来求得。详细而言，图案产生装置110用以将编码后的结构光光束L投影到待测物 130表面上。深度量测系统100更包括计算单元140，计算单元140电性连接到摄像装置120，用以根据摄像装置120所撷取的待测物130上的图案光束L的影像计算出待测物130的深度，例如是通过图案光束L的译码结果以及三角法(triangulation)原理计算出待测物130的表面深度。摄像装置120可以是带有CCD或CMOS的摄像头、相机、手机或便携设备，计算单元140 可以是CPU、MCU、DSP、MPU或GPU等具有运算功能的处理器。
图2是用以显示本发明一实施例图案产生装置110的架构示意图。图3A 和图3B分别是用以显示图2的全像聚合物分散液晶组件210的截面图及透视图。在一实施例中，全像聚合物分散液晶(Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal,HPDLC)组件210可以是在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210。请参照图2，图案产生装置110包括光源200、多个全像聚合物分散液晶组件210a/210b/210c(210)、电源供应器220及多个开关230。在一实施例中，电源供应器220提供电压信号到全像聚合物分散液晶组件210。在另一实施例中，电源供应器220提供电流信号到全像聚合物分散液晶组件 210。光源200所发射的光线L穿透HPDLC组件210到达待测物130的表面，另外，通过多个开关230管理电源供应器220，使电压信号被施加或没有被施加到各个HPDLC组件210a/210b/210c(210)上。光源200可以是激光 (laser)、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光二极管(LD)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、边缘射出的边射型激光、灯泡、可发出热感应波长区间光束(红外光、不可见光等)的发光单元、单点光源、多点光源、面光源等光源。
参照图3A和图3B，全像聚合物分散液晶组件210包括上玻璃基板211、下玻璃基板212、透明电极213和214、全像聚合物分散液晶(HPDLC)层216 及多个珠子219。上玻璃基板211和下玻璃基板212以预定距离作相对的配置，透明电极213和214配置在上下玻璃基板211和212的内表面上，HPDLC 层216配置在透明电极213与214之间，HPDLC层216由聚合物217及液晶218制成。光源200所发射的光线L可穿透全像聚合物分散液晶组件210 所包含的各层。不过，光线穿透路径取决于全像聚合物分散液晶组件210是否被施加电压或电流，和聚合物217和液晶218所形成的特定图案，通过聚合物217与液晶218之间的折射率差异来产生光绕射现象。多个珠子219配置于透明电极213与214之间的两侧，珠子219的数目并无限制，不过，较佳的是在两侧的每一侧上配置有至少两个珠子，珠子219是扮演维持HPDLC 层216厚度的角色。在一实施例中，透明电极213和214是ITO导电电极。
图4A和图4B分别是用以显示图2中全像聚合物分散液晶组件210被当作可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210，且在被施加电压和没有被施加电压下的截面图。当电压被施加在可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210，液晶218依特定图案作规则的排列，如图4A所示。因此，当由光源200产生的光线L入射到可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210时，因为液晶218和聚合物217的折射率变得几乎完全相同，光线L 可在没有绕射现象下穿透规则排列的液晶218而近乎直线传送。在一实施例中，光线L透射比可达到98％以上。当没有被施加电压在可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210时，液晶218可如图4B所示作另一规则的排列。因此，当由光源200发射出的光线L入射到可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210上时，可由液晶218与聚合物217之间的折射率差异来产生光绕射现象，进而改变光线L离开可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210的角度，如图4B所示。
HPDLC组件210除了当作可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅，用以改变出射光线的角度以外，还可以将投射在待测物表面的影像光图案，其对应的相位信息图案制作在HPDLC组件210内。一种制作原理是将 HPDLC层216内，没有位于相位信息图案区域的聚合物217，加以照射光束进行硬化。如此一来，因为液晶218具有某个程度的流体性，因此在HPDLC 层216的聚合物217硬化时，受到推挤的液晶218会流动到位于相位信息图案的区域内。当没有施加电压给HPDLC组件210，且光线L入射到包含位于相位信息图案的HPDLC组件210，对应于相位信息图案的影像光图案就被显示在待侧物130上。请参照图5，本发明的一实施例中，多个开关230 施加电压给HPDLC组件210a和210c，且没有施加电压给HPDLC组件210b。此时，来自光源200的入射光线L穿透HPDLC组件210a的后入射到HPDLC 组件210b，通过HPDLC组件210b包含的相位信息图案242将入射光线L 转换成具有相对应图案240的影像光，再依原样穿透HPDLC组件210c，将图案240的影像光显示在待侧物130的表面上。
图6A和图6B是用以显示本发明另一实施例图案产生装置310的架构示意图。相同结构以相同的符号表示，其后就不再重复叙述。此架构的 HPDLC组件210是当作可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210，来用以改变光线L的出射角度，配合设有依据入射角度不同而产生不同的全像图案的全像光学组件250，一实施例中，全像光学组件可以是全像片250或全息片。图6A为多个开关230施加电压给HPDLC组件210a和210c，且没有施加电压给HPDLC组件210b。此时，来自光源200的入射光线L约略直线穿透HPDLC组件210a之后入射到HPDLC组件210b，通过HPDLC组件 210b将光线L偏折一角度α1，再入射到HPDLC组件210c，约略直线穿透 HPDLC组件210c之后入射到全像片250，通过全像片250对应于图案260 的相位信息图案(图中未显示)，产生如图6C的图案260显示在待侧物130 上。图6B为多个开关230施加电压给HPDLC组件210a和210b，且没有施加电压给HPDLC组件210c。此时，来自光源200的入射光线L约略直线穿透HPDLC组件210a和210b之后入射到HPDLC组件210c，通过HPDLC组件210c将光线L偏折一角度α2，再入射到全像片250，通过全像片250 对应于图案270的相位信息图案(图中未显示)，产生如图6C的图案270显示在待侧物130上。要注意的是，相位信息是指通过装置形成最后投影图案的信息，所以投射在待侧物130表面的影像光图案260和270，和全像片250 中相对应的相位信息图案，两者是不相同的。
请参阅图6D，图6D显示待测物130为一手体，且手体因呈现一手势而使得手体上的每一区块与摄像装置120的距离皆不尽相同，通过摄像装置 120撷取待测物130手体的影像，可撷取到待测物130手体上所投射出的图案260以及图案270，再通过图案260以及图案270之间的多个相对位置关系，即可获得手体上的每一区块的深度距离，当然，待测物130手体上的每一区块大小(即能够被解析的程度)是取决于图案260的样式及/或图案270的样式，例如线图案与线图案之间的间距越小，及/或点图案与点图案之间的间距越小，可使待测物130手体上的每一区块被解析的越精细。在本发明实施例中图案的样式并不限制，可以是相同粗细的条纹、粗细不同的条纹、不规则的图案、周期性图案、点状图案、线状图案等。
图7A和图7B是用以显示本发明再一实施例图案产生装置410的架构示意图。相同结构以相同的符号表示，其后就不再重复叙述。此架构的 HPDLC组件210是当作可在绕射状态和非切换绕射状态切换的光栅210，来用以改变光线L的出射角度，配合设有图案(图中未显示)的透光基板280和投影透镜组290。图7A为多个开关230施加电压给HPDLC组件210a和210c，且没有施加电压给HPDLC组件210b。此时，来自光源200的入射光线L先穿越设有图案(图中未显示)的透光基板280，转变成带有图案的影像光，再约略直线穿透HPDLC组件210a之后入射到HPDLC组件210b，通过HPDLC 组件210b将光线L偏折一角度α1，再入射到HPDLC组件210c，约略直线穿透HPDLC组件210c之后，将透光基板的图案显示在待侧物130上。图 7B为多个开关230施加电压给HPDLC组件210a和210b，且没有施加电压给HPDLC组件210c。此时，来自光源200的入射光线L先穿越设有图案(图中未显示)的透光基板280，转变成带有图案的影像光，约略直线穿透HPDLC 组件210a和210b之后入射到HPDLC组件210c，通过HPDLC组件210c将光线L偏折一角度α2，将透光基板的图案显示在待侧物130上。虽然在图 7A和图7B中，都是将透光基板的图案显示在待侧物130上，但是由于光线 L在图7A和图7B偏折的角度α1和α2不相同，所以两个相同图案会产生一位移，通过摄像装置120撷取待测物130的影像，可撷取到待测物130上所投射出的有位移的两个相同图案，再通过有位移的两个相同图案之间的多个相对位置关系，即可获得待测物130上每一区块的深度距离。
带有图案的透光基板280也可以用光阀(Light valve)来取代，光阀一词已为投影产界广泛使用，在此产业中大多可用来指一种空间光调变器(Spatial Light Modulator,SLM)中的一些独立光学单元。所谓空间光调变器，含有许多独立单元(独立光学单元)，这些独立单元在空间上排列成一维或二维数组。每个单元都可独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应 (泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应或光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在所述多个独立单元的照明光束进行调制，并输出影像光束。独立单元可为微型反射镜或液晶单元等光学组件。也即，光阀可以是数字微镜组件(Digital Micro-mirror Device, DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS Panel)或是穿透式液晶面板等。带有图案的透光基板280也可以是光罩和投影片等。
图8用以显示本发明又一实施例图案产生装置的架构示意图。相同结构以相同的符号表示，其后就不再重复叙述。此架构与图案产生装置410架构的差异点在于光源200和设有图案(图中未显示)的透光基板280是位于 HPDLC组件210d的侧边。此时，来自光源200的入射光线L先穿越设有图案(图中未显示)的透光基板280，转变成带有图案的影像光，再通过HPDLC 组件210d将光线L偏折约90度，再入射到HPDLC组件210a，其后的光路就不再重复叙述。
图9用以显示本发明另一实施例图案产生装置的架构示意图。相同结构以相同的符号表示，其后就不再重复叙述。此架构与图案产生装置310架构的差异点在于用具有一图案的光学绕射组件(DOE)295取代全像片250。此时，在图9利用HPDLC组件210偏折光线L的角度α1和α2不相同，所以DOE 295投影到待测物130的上的两个相同图案会产生一位移，通过摄像装置120 撷取待测物130的影像，可撷取到待测物130上所投射出的有位移的两个相同图案，再通过有位移的两个相同图案之间的多个相对位置关系，即可获得待测物130上每一区块的深度距离。
本发明实施例的一种图案产生装置，可提供一个光线相对准直、低功耗、低成本并可产生周期性图案的光学装置，进而扩大结构光可以应用的领域。
以上各具体实施例中所列出的表格中的参数仅为例示之用，而非限制本发明。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。
Claims (10)
1.一种图案产生装置，其特征在于，包括：
一光源；
一第一全像聚合物分散液晶组件，位于所述光源的光路下游，所述第一全像聚合物分散液晶组件设有一第一相位信息的图案；以及
一第二全像聚合物分散液晶组件，位于所述第一全像聚合物分散液晶组件的光路下游，所述第二全像聚合物分散液晶组件设有一定义光栅的图案。
2.一种图案产生装置，其特征在于，包括：
一光源；
一可在绕射状态和非切换绕射状态切换的第一光栅，位于所述光源的光路下游；
一可在绕射状态和非切换绕射状态切换的第二光栅，位于所述第一光栅的光路下游；以及
一光学绕射组件，位于所述第二光栅的光路下游，设有一相位信息的图案。
3.如权利要求1～2中任一项所述的图案产生装置，其特征在于，所述光源是从下列中选出：激光、发光二极管、有机发光二极管、激光二极管、垂直腔面发射激光器、边缘射出的边射型激光、灯泡、可发出热感应波长区间光束的发光单元、单点光源、多点光源和面光源。
4.如权利要求1～2中任一项所述的图案产生装置，其特征在于，所述光源发出一光线，所述光线在一成像面形成一默认图案。
5.如权利要求4所述的图案产生装置，其特征在于，图案产生装置还包含一电源供应器。
6.如权利要求5所述的图案产生装置，其特征在于，所述图案产生装置设有下列状态之一：(1)当所述电源供应器没有送出一电压到所述第一全像聚合物分散液晶组件，所述第一全像聚合物分散液晶组件处于绕射状态，离开所述第一全像聚合物分散液晶组件的所述光线被转换成带有对应于所述相位信息图案的第一图案影像光，(2)当所述电源供应器没有送出一电压到所述第二全像聚合物分散液晶组件，所述第二全像聚合物分散液晶组件处于绕射状态，所述光线离开所述第二全像聚合物分散液晶组件被偏折一角度，(3)当所述电源供应器分别送出一电压到所述第一全像聚合物分散液晶组件和所述第二全像聚合物分散液晶组件，所述第一全像聚合物分散液晶组件和所述第二全像聚合物分散液晶组件都处于非绕射状态，所述光线以约略直线穿透所述第一全像聚合物分散液晶组件和所述第二全像聚合物分散液晶组件。
7.如权利要求5所述的图案产生装置，其特征在于，所述图案产生装置设有下列状态之一：(1)当所述电源供应器没有送出一电压到所述第一光栅，所述第一光栅处于绕射状态，所述光线离开所述第一光栅被偏折一第一角度，(2)当所述电源供应器没有送出一电压到所述第二光栅，所述第二光栅处于绕射状态，所述光线离开所述第二光栅被偏折一第二角度，(3)当所述电源供应器分别送出一电压到所述第一光栅和所述第二光栅，所述第一光栅和所述第二光栅都处于非绕射状态，所述光线以约略直线穿透所述第一光栅和所述第二光栅。
8.如权利要求3所述的图案产生装置，其特征在于，所述光阀是从下列中选出：数字微镜组件、硅基液晶面板、穿透式液晶面板、光罩、投影片和透光基板。
9.如权利要求1、2、8中任一项所述的图案产生装置，应用在一深度量测系统，其特征在于，所述深度量测系统还包含一摄像装置和一计算单元。
10.一种图案产生装置的制造方法，其特征在于，包括：
电性连接一电源供应器和下列装置组合之一：(1)一第一全像聚合物分散液晶组件和一第二全像聚合物分散液晶组件，(2)一可在绕射状态和非切换绕射状态切换的第一光栅和一可在绕射状态和非切换绕射状态切换的第二光栅；以及
装配一光源和下列装置组合之一，装配顺序为：(1)所述光源的一光路的上游到下游依序为所述第一全像聚合物分散液晶组件和所述第二全像聚合物分散液晶组件，(2)所述光源的一光路的上游到下游依序为所述第一光栅、所述第二光栅和一光学绕射组件。
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| US20100202725A1 (en) * | 2007-07-26 | 2010-08-12 | Sbg Labs Inc. | Laser illumination device |
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