CN111458895A - 阵列式结构光图案投射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种阵列式结构光图案投射装置，是包含一绕射光学组、一绕射光学组件、一光源组、一基板、至少一光源晶片、至少一发光点组、至少一发光点、一绕射光点图案、一屏幕，其中，通过光源晶片上设置至少一发光点组，发光点组上更设置有至少一发光点，并将至少一光源晶片设置于基板上组成光源组，将绕射光学组件紧密排列组成绕射光学组，通过光源组发出的光线照射通过绕射光学组并于屏幕上呈现出绕射光点图案；特别要说的是，发光点组的数量与绕射光学组件在设置时的数量相同。

Description

阵列式结构光图案投射装置

技术领域：

本案是涉及一种通过紧密排列多个绕射光学组件，并搭配与其数量相同且可分别独立设置的发光点组，从而可以产生更多设计弹性和功能性的结构光投射装置。

背景技术：

现今的图案投射装置中绕射光学组件(Diffractive Optical Element,DOE)为技术的核心组件，且已能使其兼具有准直镜(collimation lens)与点光束分配器(beamsplitter)的功能，不仅能够简化在设置时所需的必要组件，也能让绕射光学组件(Diffractive Optical Element,DOE)有更多的应用，大大的精简了在使用绕射光学组件时所需的必要的硬设备。

虽然已经让硬设备更加的精良，但在使用上仍然无法满足现今日新月异的科技发展，在实际使用后发现图案投射装置虽然通过升级绕射光学组件来简化组装时所需的必要组件，但所呈现出来的效果与先前的设备可说是大同小异，然，图案投射装置虽然在设计绕射光学组件时，有做精简及效能上的提升，但针对于发光源的部分仍然是使用旧有的发光方式，仅能在全亮及全暗的调控上做操作，因此需要搭配现有的技术让光源可以依照需求做改善，让光源不仅能具有调控光源明亮度、调整发光源中光点与光点之间装设的距离及改变发光源中光点设置分布的不同模式的功效，来因应现有的需求。

所以若能够使图案投射装置通过改良光源中发光点的相关技术，并搭配将绕射光学组件改良后的特性能够使其发挥更大效能的应用，希望能达到将投射出的光点图案投射角度扩大及改变光源中发光点设置时的分布及可以分别点亮单独的发光点的功效，进而使图案投射装置得以获得更多在应用上的设计弹性及更广泛应用于各领域的设备，据此，光源中发光点的优化、绕射光学组件使用的方式及光源及绕射光学组件两者间如何搭配应用，是本发明欲解决的关键问题所在。

发明内容：

有鉴于此，本发明即在提供一种阵列式结构光图案投射装置，是包含：绕射光学组，包含多个绕射光学组件彼此紧密排列；光源组，包含至少一光源晶片，光源晶片上更具有至少一发光点组，发光点组是由至少一发光点组成，发光点发出光线照射通过绕射光学组件并投射出绕射光点图案于屏幕上；其中，光源组可由至少一光源晶片设置于基板上，且光源晶片上的发光点组数量与绕射光学组件设置数量相同。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，绕射光点图案可为完全重迭、部分重迭、互相衔接或产生偏移。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，相邻多个发光点组中心与中心间的第一间隔距离大于与其相匹配多个绕射光学组件中心与中心间的第二间隔距离，用以增加光源晶片所投射出来的绕射光点图案的亮度。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，绕射光点图案可通过控制光源组的点亮时间，使绕射光点图案为全亮、部分亮或循序亮。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，发光点的排列方式可为规则排列或不规则排列。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，各光源晶片上的发光点数目及设置位置可相同或相异。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，绕射光学组之间更具有不透明区域，用以遮挡溢出绕射光学组范围的光线。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，绕射光学组件的排列方式至少为方形排列、矩形排列、六角形排列、三角形排列、圆形排列、不规则形排列的阵列式构型。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，与绕射光学组件相匹配的光源晶片，其设置的排列方式与绕射光源组件所呈现的构型相同。

所述的阵列式结构光图案投射装置，其中，发光点为面射型雷射。

如此，本发明通过将多个兼具准直镜及点光束分配器功能的绕射光学组件DOE近距离紧密排列后，搭配光源组中的多个光源晶片分别设置于基板上，再通过控制光源组的点亮时间，来达到将绕射光点图案投射为全亮、部分亮或循序亮，据此来达成扫描式动态光点、可调性光点间距、增加光点亮度、扩大投射张角、增加光点密度、改变光点分布模式的功能。

附图说明：

图1是为阵列式结构光图案投射装置基本架构配置立体示意图；

图2是为阵列式结构光图案投射装置多个光源晶片实施方式示意图；

图3是为阵列式结构光图案投射装置一片光源晶片实施方式示意图；

图4是为阵列式结构光图案投射装置控制绕射光点图案亮度示意图；

图5是为阵列式结构光图案投射装置阵列式成像示意图；

图6是为阵列式结构光图案投射装置分布式成像示意图；

图7是为阵列式结构光图案投射装置增加投射角度示意图；

图8是为阵列式结构光图案投射装置不透光区示意图；

图9是为阵列式结构光图案投射装置DOE形状排列示意图。

附图标记：

1 阵列式结构光图案投射装置

10 绕射光学组

11 绕射光学组件

111 第一绕射光学组件

112 第二绕射光学组件

113 第三绕射光学组件

114 第四绕射光学组件

12 绕射光点图案

121 第一绕射光点图案

122 第二绕射光点图案

123 第三绕射光点图案

124 第四绕射光点图案

20 光源组

21 光源晶片

22 发光点组

221 第一发光点组

222 第二发光点组

223 第三发光点组

224 第四发光点组

23 基板

24 发光点

30 屏幕

A 第一间隔距离

B 第二间隔距离

C 不透明区域

具体实施方式：

由于本发明公开一种阵列式结构光图案投射装置，其中所使用的各种光学投射及绕射原理为本领域普通知识人员所能明了，故以下中文的说明，不再做完整描述。同时，以下文中所对照的附图，是表达与本发明特征有关的实施态样示例，并未亦不需要依照实际尺寸完整绘制，在此声明。

请参阅图1，在此实施例中，为本案阵列式结构光图案投射装置1的基本架构，是包含有：绕射光学组10，包含四片兼具有准直镜及点光束分配器功能的绕射光学组件11，分别为第一绕射光学组件111、第二绕射光学组件112、第三绕射光学组件113及第四绕射光学组件114，彼此紧密排列且各自绕射光学组件11的设计图案可相同或相异；光源组20，包含有光源晶片21，且光源晶片21上设有多个发光点组22，分别为第一发光点组221、第二发光点组222、第三发光点组223及第四发光点组224，各发光点组22可同时点亮、部分点亮及循序点亮，且各发光点组22上更具有多个发光点24，发光点24所设置的数量及设置在光源晶片21上的位置皆不设限，且不同光源晶片21上的发光点24设置数量及位置皆可不相同，可依照使用者需求进行增加或减少，图1中每个发光点组22上是以4个发光点24为例，但不以此为限；发光点24所发出的光线照射通过绕射光学组件11并投射出绕射光点图案12于一屏幕30上，在此实施例中分别具有第一绕射光点图案121、第二绕射光点图案122、第三绕射光点图案123及第四绕射光点图案124，其投射方式为，由第一发光点组221上的发光点24射出光线通过第一绕射光学组件111后投射出第一绕射光点图案121于屏幕30上；第二发光点组222上的发光点24射出光线通过第二绕射光学组件112后投射出第二绕射光点图案122于屏幕30上；第三发光点组223上的发光点24射出光线通过第三绕射光学组件113后投射出第三绕射光点图案123于屏幕30上；第四发光点组224上的发光点24射出光线通过第四绕射光学组件114后投射出第四绕射光点图案124于屏幕30上，通过独立设置的发光点组22所产生的光源，搭配上与发光点组22位置相对应的绕射光学组件11进而投射出相对应的绕射光点图案12来分别进行投影成像以满足各种不同应用所需的效能；其中，光源组20中的光源晶片21是通过高精度黏晶(Die bond)的方式设置于基板23上，可通过调控基板23通电的方式使其上所设置的光源晶片21分别通电点亮各发光点组22，且光源晶片21上所设置的发光点组22数量与搭配的绕射光学组件11所设置的数量需相同，发光点组22与绕射光学组件11在设置时两者的位置需相对应排列，如图1中所示。

值得一提的是，由于上述的投射方式为单独的发光点24射出光线至相对应的独立设计的绕射光学组件11，所以得以于屏幕30上分别成像出与绕射光学组件11数量相同种类的各种绕射光点图案12，使投射出的绕射光点图案12在成像时可以相互的搭配应用，并配合光源晶片21上发光点组22的数量及位置的设置，使投射出的绕射光点图案12可以呈现出各投射出的绕射光点图案12完全重迭，通过绕射光点图案12的重迭可以呈现出更多的细节使成像的解析度得以提升，除此之外，还可以增加投射出的绕射光点图案12的亮度；也可通过投射后的各绕射光点图案12设计为部分重迭，使成像出来的绕射光点图案12可以呈现出明亮度之间的差异，使成像出的绕射光点图案12可以设计为更具有层次感的成像；此外，更可以将光源晶片21上的发光点组22的位置通过计算调整设计投射于绕射光学组件11后于屏幕30成像的绕射光点图案12的位置相互的衔接，亦即彼此之间不产生重迭，使其可以扩大成像的范围。

请参阅图2，位于基板23上的光源晶片21与发光点组22的一种实施方式，即是将多个发光点组22分别设置于相对应数量的光源晶片21上，此种设置方式可以依照使用者需求，排列出各发光点组22彼此之间不同的排列方式，且依照此种方式设置时，由于各发光点组22分别处于不同的光源晶片21上，在通电后，电流会进入各自的光源晶片21中，使设置于不同光源晶片21上各发光点组22产生全亮、部分亮、分区亮及循序亮的功效，所以各发光点组22之间的距离由于设置于不同光源晶片21上，不会因为电流干扰的问题，各发光点组22的距离可以排列的较紧密。

请参阅图3，位于基板23上的光源晶片21与发光点组22的另一种实施方式，将多个发光点组22全数设置于同一光源晶片21上，此种方式仍然可以依照使用者需求，排列各发光点组22中至少一发光点24的位置，且若以此种方式设置发光点组22，则发光点组22所设置的位置能较精准，降低发光点24设置偏移或误差的机率，但由于各发光点组22是设置于同一光源晶片21上，各发光点组22彼此位置的距离需间隔较大，避免通电时因为电流干扰，影响发光点组22的发光顺序。

请参阅图4，为另一控制绕射光点图案12亮度的实施方式，详述如下：图4中的第一绕射光学组件111及第二绕射光学组件112为相同的设计，且第一发光点组221及第二发光点组222的排列方式与发光点组22中的发光点24排列方式也须相同，此时，当相邻两发光点组22(如图4中第一发光点组221及第二发光点组222)中心与中心的第一间隔距离A，与相对应的绕射光学组件11(如图4中第一绕射光学组件111及第二绕射光学组件112)中心与中心的第二间隔距离B来的宽时，则可使得从第一发光点组221及第二发光点组222中心所发出的光线向相对应的第一绕射光学组件111及第二绕射光学组件112中心连线且继续向后延伸的延伸线，相交于远处的屏幕，此时两相异发光点所发出的光线会在屏幕处重迭，使其可以增加光点亮度，据此在设置发光点组22时可以通过排列发光点组22的位置来控制绕射光点图案12的光点亮度。

请参阅图5，在此实施方式中的阵列式结构光图案投射装置1阵列式成像投射方式如下，由第一发光点组221射出光线通过第一绕射光学组件111后投射出第一绕射光点图案121于屏幕30上；第二发光点组222上射出光线通过第二绕射光学组件112后投射出第二绕射光点图案122于屏幕30上；第三发光点组223上射出光线通过第三绕射光学组件113后投射出第三绕射光点图案123于屏幕30上；第四发光点组224上射出光线通过第四绕射光学组件114后投射出第四绕射光点图案124于屏幕30上；将各发光点组22上的各发光点24分别设计为直列式的光点分布，且各直列式发光点24间保留有固定间距，所投射出的绕射光点图案12区可成像为完全重迭或部分重迭，且通过调控各发光点组22的发光顺序并搭配相对应绕射光学组件11的方式来使其投射出绕射光点图案12，且其成像可依照发光点24的设计及发光点组22点亮的顺序呈现为全亮、部分亮或循序点亮，操作方式为：第一至第四发光点组221～224照射至第一至第四绕射光学组件111～114，投射出第一至第四绕射光点图案121～124，据此可以随时调整光点密度或通过光点做位置动态扫瞄的作用，其中，控制各发光点组22的点亮时间，使投射光点图案12为全亮、部分亮或循序亮，据此，可增加或减少瞬间点轨迹重迭距离，提高或降低可侦测的深度范围同时兼顾点深度侦测的分辨率。

请参阅图6，在此实施方式中的阵列式结构光图案投射装置1分布式成像的投射方式如下，由第一发光点组221射出光线通过第一绕射光学组件111后投射出第一绕射光点图案121于屏幕30上；第二发光点组222射出光线通过第二绕射光学组件112后投射出第二绕射光点图案122于屏幕30上；第三发光点组223射出光线通过第三绕射光学组件113后投射出第三绕射光点图案123于屏幕30上；第四发光点组224射出光线通过第四绕射光学组件114后投射出第四绕射光点图案124于屏幕30上；将各发光点组22上的发光点24分别设计为散状分布的位置，且各相异发光点组22上的发光点24间可在成像时的位置调整为完全重迭或部分重迭，再搭配可调控的发光点组22使其部分点亮或全部点亮的特性，以控制绕射光点图案12在屏幕30上的密度，据此可以使此阵列式结构光图案投射装置1可以适应不同距离所需的不同绕射光点图案12的成像密度。

在以上实施例中，各相异发光点组22上的发光点24的数目及设置位置可相同或相异，依照使用者的需求进行设置，其设置方式可如图5通过直列式规则排列的发光点24投射成像出的直列式规则排列绕射光点图案12所示，亦可为如图6通过分布式不规则排列的发光点24投射出的绕射光点图案12为散状不规则排列的方式所示，除此之外，可以依照不同的需求将发光点24集中设置，此集中设置处所投射出的绕射光点图案12的亮度，相较于发光点24设计的较稀疏所呈现出的绕射光点图案12的亮度来的更亮，但由于发光点24过于集中，所以会使呈现出的绕射光点图案12产生渐层。

请参阅图7，为本发明的另一实施例，同样通过上述由第一发光点组221射出光线通过第一绕射光学组件111后投射出第一绕射光点图案121于屏幕30上；第二发光点组222射出光线通过第二绕射光学组件112后投射出第二绕射光点图案122于屏幕30上；第三发光点组223射出光线通过第三绕射光学组件113后投射出第三绕射光点图案123于屏幕30上；第四发光点组224射出光线通过第四绕射光学组件114后投射出第四绕射光点图案124于屏幕30上；在设置发光点24时通过计算发光点24发出光线的位置来设置发光点组22中各发光点24的位置，使其在投射时可以将相对应的绕射光点图案12的分布成像为互相衔接的绕射光点图案12，据此增加投射的角度。

更值得一提的是，在基板23上具有多个分别独立设置的光源晶片21，各光源晶片21上的多个发光点组22在设置时，位于同一片基板23上相异的两片光源晶片21上的发光点组22中发光点24的数目及设置位置可以为相同或相异的设置方式，在此不做限制。

请参阅图8，为本发明的另一实施例，绕射光学组10在紧密排列设置时，其衔接处更具设计有一不透明区域C，其不透明区域的设置方式可为印刷、涂布、镀膜、黏贴等可阻挡光线通过的方式，且不透明区域的材质可为金属或非金属等不透光的材质，通过以上的设置方式及选用的材质，用以遮挡由光源组20照射的溢出绕射光学组10范围的光线，使紧密衔接相邻的绕射光学组件在通过光学组20投射成像时可以通过此设置阻绝或减少光线的相互干扰，提升绕射光点图案12的分辨率及所呈现的亮度。

请参阅图9，绕射光学组件11在设置时的排列方式至少为方形排列如图9A、矩形排列如图9B、六角形排列如图9C、三角形排列如图9D、圆形排列如图9E、不规则形排列如图9F的构型，可以通过不同排列形状的构型来满足不同使用者在成像上的需求，不仅如此，由于可以改变排列的形状，还可以将图案投射器应用在更多不同的领域之中，通过改变排列的方式也可以形成更多的成像的方式。

请再次参阅图1至图8，更值得一提的是，各绕射光学组件11虽然可以呈现上述不同的阵列式构型，但与其相匹配的各发光点组22在设置于光源晶片21上时，须依照与其匹配的阵列式绕射光学组件11的排列顺序进行设置，由于本案设定发光点组22与绕射光学组件11需相互搭配才得以成像，且其光线为直线式的投射，据此，在设计完成绕射光学组件11阵列式构型后须同步将与其匹配发光点组22的排列方式依照阵列式构型的位置设置于基板23上。

最后，特别要说的是，发光点24的设置为面射型雷射(VCSEL)，其特性具备高速操作、低耗电、体积小且价格较低的优势，据此，面射型雷射(VCSEL)可以胜任本发明发光点24中的应用需求，因为在装置上所需使用的发光点24众多，所以其特性低耗电、体积小正是可以广泛应用在发光点24上，在光源晶片21上紧密的排列，不仅可以排列较多增加发光点24的密度来达到增加亮度的需求，更是因为其省电的特性来减少使用上所带来的消耗。

综上所述，本发明通过将发光点组22设置在光源晶片21上，且至少一光源晶片21分别/独立设置于基板23上，使基板23可以通过光源晶片21分别调控各发光点组22点亮的顺序，使发光点组22在发光时可以达到符合使用者需求进行全部点亮、部分点亮或循序点亮的功效，并搭配将绕射光学组件11紧密排列进行成像，使绕射光点图案12通过发光点组22可调控的特性搭配发光点24可以自由设置其数量及位置的特性，来完成使绕射光点图案12在成像上可以呈现出图案完全重迭、图案部分重迭、图案之间互相衔接或产生偏移的功效，除此之外，更通过将光源晶片21上发光点组22的排列方式除了规则排列及不规则排列外，在同一基板23上各相同/相异光源晶片21的发光点组22所设置的数量、位置及密度皆可依照用户需求进行设置，并不做限制，据此达到扫瞄式动态光点、可调性光点间距、增加光点亮度、扩大投射张角、增加光点密度、改变光点分布模式的功效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的普通知识者应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求中。

Claims (10)

1.一种阵列式结构光图案投射装置，是包含:

一绕射光学组，包含多个绕射光学组件彼此紧密排列；

一光源组，包括至少一光源晶片，所述光源晶片上更具有至少一发光点组，所述发光点组是由至少一发光点组成，所述发光点发出一光线照射通过一绕射光学组件并投射出一绕射光点图案于一屏幕上；其特徵在于，所述光源组是由至少一光源晶片设置于一基板上，且所述光源晶片上的所述发光点组数量与所述绕射光学组件设置的数量相同。

2.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，所述绕射光点图案可为完全重迭、部分重迭、互相衔接或产生偏移。

3.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，相邻多个发光点组中心与中心间的一第一间隔距离大于与其相匹配多个绕射光学组件中心与中心间的一第二间隔距离，且相邻多个发光点组中的所述发光点排列方式需相同，用以加强所述发光点组所投射出来的所述绕射光点图案的亮度。

4.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，所述绕射光点图案可通过控制所述光源组的点亮时间，使所述绕射光点图案为全亮、部分亮或循序亮。

5.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，所述发光点的排列方式可为规则排列或不规则排列。

6.根据权利要求5所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，各所述发光点组中的所述发光点数目及设置位置可相同或相异。

7.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，所述绕射光学组之间更具有一不透明区域，用以遮挡溢出所述绕射光学组范围的所述光线。

8.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，所述绕射光学组件的排列方式至少为一方形排列、一矩形排列、一六角形排列、一三角形排列、一圆形排列或一不规则形排列的阵列式构型。

9.根据权利要求8所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，与所述绕射光学组件相匹配的所述发光点组，其设置的排列方式与所述绕射光源组件所呈现的构型相同。

10.根据权利要求1所述的阵列式结构光图案投射装置，其特徵在于，所述发光点为面射型雷射。

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