CN111562690B - 可调式光投射器 - Google Patents

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CN111562690B CN201910504553.3A CN201910504553A CN111562690B CN 111562690 B CN111562690 B CN 111562690B CN 201910504553 A CN201910504553 A CN 201910504553A CN 111562690 B CN111562690 B CN 111562690B
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Abstract

本发明提供一种可调式光投射器，包括光源、固定式光学相位调制器、可调式液晶面板及驱动器。光源用以发出光束。固定式光学相位调制器配置于光束的路径上，且用以调制光束的相位。可调式液晶面板配置于光束的路径上，且用以使光束在结构光与泛光之间切换。驱动器电性连接至可调式液晶面板的第一电极层与第二电极层，且用以改变第一电极层与第二电极层之间的电压差，进而使光束在结构光与泛光之间切换。

Description

可调式光投射器
技术领域
本发明是有关于一种感测装置及光投射器，且特别是有关于一种光学感测装置、结构光投射器及可调式光投射器。
背景技术
目前三维感测(3D sensing)的主流技术分为飞行时间法(time of flight；TOF)以及结构光技术(structured illumination)。TOF技术是利用脉冲雷射(pulsed laser)以及互补式金属氧化物半导体(CMOS)感测器来测量光反射时间换算成距离。因成本以及构造，一般较适合长距离的物体解析。在结构光技术，利用红外光源(IR source)投影到绕射元件(diffractive optical element；DOE)以产生二维的绕射图案，再利用感测器来收集反射光。物体的三维距离可利用三角法来换算出来。结构光技术受限于具有固定焦距的投影镜头，因此绕射图型清楚成像的距离也是有限制的，最终导致可被解析物体的距离局限于小范围内。
为解决上述结构光技术的问题，有人提出在镜组中加入变迹透镜(apodizedlens)以产生多个焦距的系统。然而，此做法会牺牲掉光效率以及二维绕射图案的点数以及解析度。
此外，在行动装置的三维脸部辨识中，泛光系统与结构光系统皆被采用以达到三维脸部辨识。泛光系统先被用来判断接近的物体是否为人脸，如果接近的物体是人脸，结构光系统便随后被启动且用以判断所侦测到的人脸是否为此行动装置的使用者的脸。然而，在一个行动装置中同时采用两个系统(即泛光系统与结构光系统)会占用许多空间，且较为昂贵。
发明内容
本发明提供一种利用液晶来控制结构光的对焦的光学感测装置。
本发明提供一种利用液晶来控制结构光的对焦的结构光投射器。
本发明提供一种可调式光投射器，其利用可调式液晶面板来使光束在结构光与泛光之间切换。
本发明的一实施例提出一种光学感测装置，适用于侦测物体或物体的特征。光学感测装置包括结构光投射器以及感测器。结构光投射器用以将结构光投射至该物体。结构光投射器包括光源、绕射光学元件以及液晶透镜模组。光源用以发出光束。绕射光学元件配置于光束的路径上，且用以产生绕射图案以形成结构光。液晶透镜模组配置于光束的路径以及结构光的路径的至少一者上，且能够控制至少两个对焦态之间的对焦。感测器与结构光投射器相邻，用以感测反射光。反射光为结构光自物体的反射。
本发明的实施例提出一种结构光投射器。结构光投射器包括光源、绕射光学元件以及液晶透镜模组。光源用以发出光束。绕射光学元件配置于光束的路径上，且用以产生绕射图案以形成结构光。液晶透镜模组配置于光束的路径以及结构光的路径的至少一者上，且能够控制至少两个对焦态之间的对焦。
本发明的一实施例提出一种可调式光投射器，其包括光源、固定式光学相位调制器、可调式液晶面板及驱动器。光源用以发出光束。固定式光学相位调制器配置于光束的路径上，且用以调制光束的相位。可调式液晶面板配置于光束的路径上，且用以使光束在结构光与泛光之间切换。可调式液晶面板包括第一基板、第二基板、液晶层、第一电极层及第二电极层。液晶层配置于第一基板与第二基板之间。第一电极层与第二电极层的至少其中之一为图案化层。第一电极层与第二电极层皆配置于第一基板与第二基板的其中之一上，或分别配置于第一基板与第二基板上。驱动器电性连接至第一电极层与第二电极层，且用以改变第一电极层与第二电极层之间的电压差，进而使光束在结构光与泛光之间切换。
基于上述，本发明实施例的结构光投射器包括至少一具有可调变焦距的液晶透镜模组。在结构光投射器内提供具有可调变焦距的液晶透镜模组增加了结构光可聚焦的范围。此外，可以获得利用上述结构光投射器的小型光学感测器。在本发明的实施例的可调式光投射器中，利用可调式液晶面板来使光束在结构光与泛光之间切换，因此本发明的实施例将泛光系统与结构光系统整合成单一系统，其减少了具有结构光与泛光功能的电子装置的成本与体积。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明一实施例的光学感测装置的示意图。
图2是图1的结构光投射器的剖面示意图。
图3A至3C是依照本发明至少一实施例的另一结构光投射器的剖面示意图。
图4A以及图4B是依照本发明至少一实施例的图2的不同液晶透镜模组于两个不同状态下的剖面示意图。
图5至8是依照本发明至少一实施例的图2的不同液晶透镜模组的剖面示意图。
图9是依照本发明至少一实施例的液晶层的俯视示意图。
图10A至10B是依照本发明至少一实施例的另一液晶透镜模组于两个不同状态下的剖面示意图。
图11A与图11B分别为本发明的一实施例的可调式光投射器在结构光模式与泛光模式的剖面示意图。
图12A、图12B及图12C分别为图11A与图11B中的第一电极层的根据本发明的三个实施例的上视示意图。
图13A、图13B及图13C为图12A的第一电极层的其他三种变化的上视示意图。
图14A为图11A的可调式液晶面板的剖面示意图。
图14B与图14C绘示图14A的可调式液晶面板的其他两种变化。
图15A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图15B为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图15C为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图16A绘示图15A或图15C中的第一配向层或第二配向层的根据本发明的一实施例的配向。
图16B绘示图15A或图15C中的第一配向层或第二配向层的根据本发明的另一实施例的另一种变化的配向。
图17A为采用图16B的配向层的可调式光投射器的剖面示意图。
图17B为图17A中的光斑区域与配向层的上视示意图。
图18A、图18B及图18C绘示可调式液晶面板的剖面示意图及在三种不同的模式下施加至液晶层的电压差。
图19A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图19B为图19A中的第一基板的上视示意图。
图20A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图20B为图20A中的第一基板的上视示意图。
图21A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图21B为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。
图22为本发明的另一实施例的可调式光投射器的剖面示意图。
附图标号说明
10：电子装置
102：物体
100、200a、200b、200c：结构光投射器
104：感测器
106：开口
110：光源
120、220、320、420a、420b、520、620、720：液晶透镜模组
122：液晶透镜单元
124：固态透镜
130：绕射光学元件
222：液晶层
224a：第一基板
224b：第二基板
226：液晶分子
228、428a、428b：电源
230a：第一电极/电极
230b：第二电极/电极
230c：第三电极/电极
232a：配向膜/第一配向膜
232b：配向膜/第二配向膜
530a：电极
530b：浮动电极
640：高阻抗材料层
722：液晶单元
724：异向性透镜
800、800c、800k：可调式光投射器
810：光源
811：光束
820：固定式光学相位调制器
830：驱动器
900、900a、900b、900c、900d、900e、900f、900g、900h、900i、900j：可调式液晶面板
910：第一基板
920：第二基板
930、930a、930b：液晶层
932、932b：液晶分子
934：聚合物网络
934b：聚合物
940、940g：第一电极层
942：微开孔
942g、952g：导电微图案
950、950g、950h、950j：第二电极层
960、960a、960d：第一配向层
970、970a、970d：第二配向层
980：高阻抗层
990：绝缘层
A1：光轴
D：最大直径
F1、F2：焦距
L1：配向
LB：光束
LP：偏振光
R1：局部相同配向区域
R2：光斑区域
SL：结构光
ΔV：电压差
具体实施方式
以下将配合图式详细说明例示性实施例，关连图式中的相同元件或等同元件，则尽可能的援用相同的参考标号以及陈述。
另外，为了易于描述，本文中可使用诸如“之下(underlying)”、“下方(below)”、“下(lower)”、“上覆(overlying)”、“上(upper)”、“顶(top)”、“底(bottom)”、“左(left)”、“右(right)”及类似者的空间相对术语，来描述如图中所绘示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了诸图中所描绘的定向以外，空间相对术语亦意欲涵盖装置在使用或操作中的不同定向。装置可以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对描述词可同样相应地进行解译。
图1是依照本发明一实施例的光学感测装置10的示意图。图1中示出的光学感测装置10是一种利用结构光来侦测物体的感测装置。具体而言，光学感测装置10包括结构光投射器100以及与结构光投射器100相邻的感测器104。结构光投射器100是用以向物体102产生结构光SL，而感测器104是用以感测自物体102反射的结构光SL。结构光SL可包括但不限于将光图案投影到物体102的多重光束，例如：一系列的线、圈、点或类似者。其中线、圈、点或类似者可有序排列或无序排列。物体102可为例如手掌、人脸或任何具有三维特征的物体。当结构光SL投射到物体102时，结构光SL的光图案会因物体102的凹凸表面而变形。该变形的结构光SL随后自物体102反射，该反射的光穿过开口106到达感测器104。举例而言，开口106可包括透镜、孔、透明罩等。感测器104感测在物体102上的光图案的变形以计算出物体102表面的深度，亦即，物体102表面上的点至感测器104之间的距离。感测器104可连接到用以计算物体102的三维特征的处理器(图中未示出)。
图2是依照本发明实施例的结构光投射器100的剖面示意图。结构光投射器100包括光源110、液晶透镜模组120以及绕射光学元件(diffractive optical element,DOE)130。配置于结构光投射器100一端的光源110是用以发出光束LB。光源110可为发光二极管(LED)、雷射二极管、边射型雷射(edge emitting laser)、垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser；VCSEL)或任何其他能发出可见或不可见(例如：红外光(IR)或紫外光(UV))光束LB。在一些实施例，光源110可为单一IR雷射二极管，在其他一些实施例光源110可为IR雷射二极管阵列，形成光源110的光源的数量不限于此。
结构光投射器100更包括配置于光束LB路径上的液晶透镜模组120。液晶透镜模组120能够控制光束LB的对焦状态以为结构光投射器100提供至少两个对焦状态。可选择性的将偏振片(图中未示出)放置在光束LB上液晶透镜模组120前以为液晶透镜模组120提供偏振光束LB。
如图2所示，绕射光学元件130配置于光束LB的路径上且在液晶透镜模组120之后。然而，绕射光学元件130与液晶透镜模组120的配置顺序不限于此。在一些实施例中，绕射光学元件130可配置于光束LB的路径上且在液晶透镜模组120之前。在一些实施例，甚至可以置于光束LB的路径上且于液晶透镜模组120的多个元件之间。绕射光学元件130是一种用以产生绕射图案的光学元件，用以产生如上述参考图1所述的结构光SL。举例而言，绕射光学元件130可包含将光束LB分光至多个点的图案，或者是将光束LB塑造至网格线的图案，但不限于此。为简易起见，以下将通过绕射光学元件130的光束LB称为结构光SL。此外，为了易于描述，提供互相垂直的x-方向以及z-方向。举例而言，在本实施例中，将z-方向定为垂直于光源110发光的表面的方向。
图3A至图3C示出依照本发明一些实施例的各种不同的结构光投射器200a至200c的剖面示意图。结构光投射器200a至200c与图2示出的结构光投射器100类似。结构光投射器200a至200c与结构光投射器100之间的差别在于结构光投射器200a至200c包括液晶透镜单元122以及固态透镜124而不包括液晶透镜模组120。在一些实施例中，液晶透镜单元122与固态透镜124的组合可做为图2的液晶透镜模组120。
参考图3A，固态透镜124配置于光束LB的路径上且位于绕射光学元件130以及光源110之间，而液晶透镜单元122配置于光束LB的路径上且位于固态透镜124与绕射光学元件130之间。在图3B中，固态透镜124配置于光束LB的路径上且位于绕射光学元件130以及光源110之间，而液晶透镜单元122配置于绕射光学元件130上远离光源110的一侧。换句话说，液晶透镜单元122配置于结构光SL的路径上。在图3C中，固态透镜124配置于光束LB的路径上且位于绕射光学元件130以及光源110之间，而液晶透镜单元122配置于光束LB的路径上且位于固态透镜124与光源110之间。
在一些实施例之中，固态透镜124可为单一透镜或具有多透镜的组合，其限定了结构光投射器200a的主要焦距。在一些实施例中，固态透镜124在光束LB进入液晶透镜单元122或绕射光学元件130前使光束准直。在一些实施例中，液晶透镜单元122具有可调变焦距且包含至少一液晶包层(liquid crystal cell layer)。可藉由施加电压来控制液晶透镜单元122内的液晶分子(图中未示出)的定向来控制液晶透镜单元122的焦距。
图4A至图8揭露可作为图2中液晶透镜模组120的液晶透镜模组的一些实施例。在一些实施例中，图4A至图8所揭露的液晶透镜模组可作为图3A至图3C的液晶透镜单元122，且本发明不限于此。
图4A及图4B是依照本发明的一实施例的液晶透镜模组220的剖面示意图。液晶透镜模组220包括第一基板224a、第二基板224b以及液晶层222。液晶层222在垂直方向(z-方向)包夹于第一基板224a与第二基板224b之间。液晶层222每个部位的有效折射率与施加于第一电极230a以及第二电极230b的电压有关，其中第一电极230a配置于第一基板224a之上介于液晶层222与第一基板224a之间，第二电极230b配置于第二基板224b之上介于液晶层222与第二基板224b之间，且电压由电源228提供。液晶透镜模组220进一步包括分别配置于第一电极230a以及第二电极230b上且与液晶层222相对两侧接触的配向膜232。配向膜232a及配向膜232b具有表面纹理，用以藉由控制液晶分子226的预倾角以及极角来将液晶分子226提供初始定向。所述预倾角是指液晶分子226的长轴与垂直于z-方向的面之间的角度；所述极角是指液晶分子226的长轴在垂直于z-方向的面上与固定轴(例如：沿x-方向)之间的角度。用于本实施例配向膜232的材料可为聚合物(例如：聚酰亚胺)，但不限于此。
参考图4A，液晶透镜模组220的液晶层222具有非均匀厚度。如图4A所示，液晶层222具有曲面以及平面，且在中间部位为最厚。液晶层222的曲面对应到第一基板224a的曲面、弯曲的第一电极230a以及弯曲的上方配向膜232a。此外，在本实施例，当电极230a及230b与电源228断开时，液晶层222内所有的液晶分子226实质上以相同定向排列。也就是说，所有液晶分子226的长轴沿水平x-方向，其中x-方向与z-方向正交。当电极230a与230b与电源228导通时，如图4B所示，液晶分子226的定向经旋转以至长轴与z-方向排列。
在本实施例，图4A至4B的液晶透镜模组220可作为折射透镜(refractive lens)。具体而言，当液晶透镜模组220未与电源228连接时，液晶层222具有第一有效折射率使得当与液晶透镜模组220的凸型结合时，沿z-方向进入的光会聚焦到第一焦距F1。在图4B中，当液晶透镜模组220与电源228连接，液晶分子226沿z-轴的排列会将液晶层222的有效折射率改变为第二有效折射率，使得当与液晶层222的凸型结合时，沿z-方向进入的光会聚焦到第二焦距F2。因此，液晶透镜模组220的焦距可藉由打开或关闭电源228来控制。
图5是依照本发明一实施例的液晶透镜模组320的剖面示意图。液晶透镜模组320包括第一基板224a、第二基板224b、液晶层222、第一电极230a、第二电极230b以及配向膜232a及232b，其布置类似于液晶透镜模组220。参照图5，液晶透镜模组320与液晶透镜模组220之间的差别在于第一基板224a、第一电极230a、第二电极230b以及第一配向膜232a的形状。具体而言，在图5中，第一基板224a是在z-方向上具有均匀厚度的基板，第一电极230a以及第一配向膜232a是平的，且第二电极230b以及第二配向膜232b是阶梯状的。基于第二电极230b以及第二配向膜232b为阶梯状，液晶层222具有非均匀厚度的液晶层，具有绕射透镜的光学特性。举例而言，第二电极230b以及第二配向膜232b的阶梯状可经设计使得跟随所述阶梯状的液晶层222可为一种菲涅耳透镜(Fresnel lens)，但本发明不限于此。类似于液晶透镜模组220，可以通过在第一电极230a和第二电极230b之间施加电压来控制液晶透镜模组320的焦距。
图6A是依照本发明一实施例的液晶透镜模组420a的剖面示意图。
在图6A中，液晶透镜模组420a包括第一基板224a、第二基板224b、液晶层222、第二电极230b以及配向膜232a及232b，其布置类似于液晶透镜模组220。参照图6A，液晶透镜模组420a与液晶透镜模组220之间的差别在于第一基板224a、第一电极230a以及第一配向膜232a。具体而言，在图6A中，第一基板224a是在z-方向上具有均匀厚度的基板，第一电极230a是在其间具有间隙或开口的图案化电极并且设置在第一基板224a的与液晶层222相对的一侧上，且第一配向膜232a是平的。因此，本实施例的液晶层222具有均匀的厚度。在一些实施例中，第一电极230a也可以设置在第一基板224a和第一配向膜232a之间，但不限于此。
基于第一电极230a的图案，液晶层222中的电压不均匀分布，导致当第一电极230a连接到电源时，液晶分子226具有不一样的定向。在一些实施例中，第一电极230a的图案可以是图6A中所示的图案以外的任何其他图案。液晶取向的不均匀分布产生分布式折射率。取决于折射率的分布，液晶透镜模组420a可以是折射透镜或绕射透镜。
图6B是依照本发明一实施例的液晶透镜模组420b的剖面示意图。液晶透镜模组420b类似于液晶透镜模组420a，不同之处在于液晶透镜模组420b进一步包括第三电极230c。第三电极230c与第一电极230a相邻且远离液晶层222。在本实施例中，第一电极230a和第二电极230b可以连接到第一电源428a以提供电压V1，而第三电极230c和第二电极230b可以连接第二电源428b以提供电压V2。第三电极230c的附加使得可进一步控制液晶层222中的电压分布，以提供光学性质的进一步微调。取决于折射率的分布，液晶透镜模组420b可以是折射透镜或绕射透镜。
图7是依照本发明一实施例的液晶透镜模组520的剖面示意图。液晶透镜模组520是具有均匀厚度的液晶层222的液晶透镜模组。具体而言，液晶透镜模组520包括第一基板224a和第二基板224b、液晶层222、第二电极230b以及配向膜232a和232b，其布置类似于液晶透镜模组420a。液晶透镜模组520和液晶透镜模组420a之间的差异在于第一电极230a的位置和第二电极230b的结构。具体而言，在图7中，第一电极230a设置在第一基板224a和第一配向膜232a之间，且第二电极230b是像素化电极。第二电极230b包括连接到电源228的至少一个电极530a和与电极530a相邻设置的至少一个浮动电极530b，以形成像素化结构。浮动电极530b藉由配置于其之间的绝缘体来分开，例如由第一配向膜232b的一部分来分开，如图7所示。在一些实施例中，浮动电极530b也可以设置在第一基板230a，第二基板230b或第一基板230a和第二基板230b两者上。第二电极230b的浮动电极530b上的电压与相邻电极530a相关。浮动电极530b提供更多的电压变化间距，以更好地控制液晶层222中的液晶分子的定向。或者，浮动电极530b中的一些或全部也可以单独连接到其他电源，以进一步控制液晶分子。取决于折射率的分布，液晶透镜模组520可以是折射透镜或绕射透镜。
图8是依照本发明一实施例的液晶透镜模组620的剖面示意图。液晶透镜模组620类似于液晶透镜模组520，差别在于液晶透镜模组620具有像素化的第一电极230a，并且进一步包括设置在像素化的第一电极230a和第一配向膜232a之间的高阻抗材料层640。高阻抗材料层640在电极之间提供连续变化的电压，因此改善了所形成图像的质量。高阻抗材料层640的片电阻范围介于109至1014欧姆每平方(Ω/sq)。举例而言，高阻抗材料层640由半导体材料(包括III-V族半导体化合物或II-VI半导体化合物的)或聚合物材料(包括聚二氧乙基噻吩(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)；PEDOT)))制成。当然，高阻抗材料层640可以在上述任何液晶透镜模组中实现，并且可以具有任何其他图案。本发明不限于此。
图9是依照本发明一实施例的液晶层222的俯视(即，沿z-方向)示意图。具体而言，图9是液晶层222内的液晶分子因配向膜的控制的而在x-y平面上的示例性布置图案。图9中提供的y-方向垂直于x和z方向。如图9所示，液晶分子的极角由配向膜控制，以形成Pancharatnam-Berry相液晶透镜。可以通过具有不同表面图案的配向膜来形成其他液晶透镜，本发明不限于此。
图10A及图10B是依照本发明一实施例的液晶透镜模组720的剖面示意图。在图10A及图10B中，液晶透镜模组720包括液晶单元722和异向性透镜(anisotropic lens)724，其中液晶单元722连接到电源228。在液晶透镜模组720中，液晶单元722设置在沿垂直于x和z方向偏振的光的路径上(如图10A所示的偏振光LP)。液晶单元722被配置为控制入射光的偏振。
参照图10A和10B，当液晶单元722处于关闭状态(未施加电压)时，入射光的偏振不受影响，当液晶单元722处于导通状态(施加电压)时，入射光的偏振旋转90度至x方向。换句话说，当液晶单元722打开时，液晶单元作为半波片以改变入射光的偏振。异向性透镜724设置在穿过液晶单元722的光路上。异向性透镜724的折射率(亦即焦距)取决于光的偏振，例如当光在异向性透镜的光轴A1方向上偏振时，折射率最大，当光的偏振方向与光轴A1正交时，折射率最小。因为液晶单元722的打开和关闭会改变光的偏振，所以异向性透镜的焦距也改变。液晶透镜模组720也被称为被动式液晶透镜，因为液晶单元不主动聚焦或发散光。
如上所述施加到液晶透镜模组、液晶透镜单元和液晶单元的电极的电压分布可以由耦合到电极的控制器控制。在一些实施例中，控制器例如是中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(digital signal processor；DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑元件(programmable logic device；PLD)或其他类似元件，或者所述元件的组合，不受本发明的特别限制。此外，在一些实施例中，控制器的每个功能可以多个程序代码实现。这些程序代码将储存在储存器或非暂时性储存介质中，以便这些程序代码可以由控制器执行。或者，在一实施例中，控制器的每个功能可以一个或多个电路实现。本发明不旨在限制控制器的每个功能是通过软件还是硬件实现。
藉由在结构光投射器中提供具有可调变焦距的液晶透镜，结构光投射器的聚焦范围变得可调并且能够涵盖更宽的范围，使得能够测量3D物体上不同距离处的特征。此外，与聚焦镜头中的传统音圈马达(voice coil motor；VCM)相比，使用液晶透镜的光学投射器具有更小型和低功耗的优点。因此，本发明的光学投射器可以容易地安装在移动电子装置中，为移动电子装置提供3D感测的特征。
图11A与图11B分别为本发明的一实施例的可调式光投射器在结构光模式与泛光模式的剖面示意图。请参照图11A与图11B，本实施例的可调式光投射器800包括至少一光源810(图11A与图11B中是以多个光源810为例)、固定式光学相位调制器820可调式液晶面板900及驱动器830。这些光源810用以发出多个光束811(在图11A与图11B中示意性地绘示一个光源810发出一个光束811为例)。在本实施例中，这些光源810分别为一个垂直共振腔面射型雷射的多个发光区(或发光点)，或分别为多个边射型雷射(edge-emitting laser,EEL)，或分别为多个其他适当的雷射发射器或雷射二极管。
固定式光学相位调制器820配置于光束811的路径上，且用以调制光束811的相位。在本实施例中，固定式光学相位调制器820例如为绕射光学元件或透镜阵列，其将光束811调制成结构光。
可调式液晶面板900配置于光束811的路径上，且用以使光束811在结构光(如图11A所绘示)与泛光(如图11B所绘示)之间切换。在本实施例中，可调式液晶面板900配置于来自固定式光学相位调制器820的光束811的路径上。可调式液晶面板900包括第一基板910、第二基板920、液晶层930、第一电极层940及第二电极层950。液晶层930配置于第一基板210与第二基板920之间。第一电极层940与第二电极层950的至少其中之一为图案化层。图11A与图11B绘示第一电极层940为图案化层。然而，在其他实施例中，第二电极层950可以是图案化层，或者第一电极层940与第二电极层950两者皆为图案化层。在本实施例中，第一基板910与第二基板920为透明基板，例如玻璃基板或塑胶基板。第一电极层940与第二电极层950可以是由氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)、其他导电金属氧化物或其他透明导电材料所制成。
第一电极层940与第二电极层950皆配置于第一基板910与第二基板920的其中之一上，或分别配置于第一基板910与第二基板920上。驱动器830电性连接至第一电极层940与第二电极层950，且用以改变第一电极层940与第二电极层950之间的电压差，进而使光束811在结构光与泛光之间切换。具体而言，液晶层930的光学空间相位分布会随着此电压差的改变而改变，进而使光束811在结构光与泛光之间切换。
举例而言，在图11A中，第一电极层940与第二电极层950之间的电压差约为零，且液晶层930的折射率分布是均匀的，因此液晶层930类似透明层。所以，来自固定式光学相位调制器820的结构光会穿透此透明层而仍然为结构光，且可调式光投射器800是处于结构光模式中。在图11B中，第一电极层940与第二电极层950之间的电压差不等于零，且液晶层930的折射率分布为不均匀，因此液晶层930类似透镜阵列。所以，来自固定式光学相位调制器820的结构光被此透镜阵列转换为泛光，且可调式光投射器800处于泛光模式。此结构光可以照射在物体上而在物体上形成具有多个点、具有条纹或具有其他适当图案的光图案。此泛光可均匀地照射物体。
在本实施例的可调式光投射器中，可调式液晶面板900被用来使光束811在结构光与泛光之间切换，因此本实施例将泛光系统与结构光系统整合成单一系统，其减少了具有结构光与泛光功能的电子装置的成本与体积。
在另一实施例中，固定式光学相位调制器820用以将光束811调制成泛光。此外，当第一电极层940与第二电极层950之间的电压差约为零时，来自固定式光学相位调制器820的泛光穿透液晶层930(此时其为透明层)且仍然为泛光。当第一电极层940与第二电极层950之间的电压差不为零时，来自固定式光学相位调制器820的泛光被液晶层930(此时其为类似透镜阵列的光学层)转换成结构光。
在又一实施例中，固定式光学相位调制器820用以将光束调制成准直光，且第一电极层940与第二电极层950之间的两种电压差分别将液晶层930切换至两种折射率分布，进而分别将来自固定式光学相位调制器820的准直光切换成结构光与泛光。
图12A、图12B及图12C分别为图11A与图11B中的第一电极层的根据本发明的三个实施例的上视示意图。请参照图12A、图12B与图12C，图案化层(如第一电极层940或第二电极层950，且图中是绘示第一电极层940为例)具有多个微开孔942，其具有小于1毫米的最大直径D。微开孔942的形状包括圆形(如图12A所绘示)、矩形(如图12B所绘示)、正方形、六边形(如图12C所绘示)、其他几何形状、其他不规则形状或其组合。
图13A、图13B及图13C为图12A的第一电极层的其他三种变化的上视示意图。请参照图12A、图13A、图13B及图13C，微开孔942的尺寸与位置可以是规律的或不规律的。举例而言，在图12A中，微开孔942的尺寸彼此相等，且微开孔942的位置是规律的。在图13A中，微开孔942的尺寸彼此相等，且微开孔942的位置是不规律的。在图13B中，微开孔942具有不同的尺寸，且微开孔942的位置是规律的。在图13C中，微开孔942具有不同尺寸，且微开孔942的位置是不规律的。
图14A为图11A的可调式液晶面板的剖面示意图，且图14B与图14C绘示图14A的可调式液晶面板的其他两种变化。请参照图14A，可调式液晶面板900具有液晶层930，其包括聚合物网络液晶(polymer network liquid crystal,PNLC)，其包括液晶分子932与聚合物网络(polymer network)934。请参照图14B，可调式液晶面板900a可具有液晶层930a，其包括向列型液晶(nematic liquidcrystal)。请参照图14C，可调式液晶面板900b可具有液晶层930b，其包括聚合物分散液晶(polymer dispersed liquid crystal,PDLC)，其包括液晶分子932b与聚合物934b。
图15A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图15A，本实施例的可调式液晶面板900c类似于图14B的可调式液晶面板900a，且其主要差异如下所述。在本实施例中，可调式液晶面板900c更包括第一配向层960与第二配向层970。第一配向层960配置于第一基板910与液晶层930a之间，且第二配向层970配置于第二基板920与液晶层930a之间。在本实施例中，第一配向层960配置于第一电极层940与液晶层930a之间，且第二配向层970配置于第二电极层950与液晶层930a之间。在本实施例中，第一配向层960与第二配向层970为水平配向层(parallel alignmentlayer)。
图15B为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图15B，本实施例之可调式液晶面板900d类似于可调式液晶面板900c，且其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板900d中，第一配向层960d与第二配向层970d为垂直配向层(vertical alignment layer)。
图15C为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图15C，本实施例的可调式液晶面板900e类似于可调式液晶面板900c，而其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板900e中，第一配向层960与第二配向层970d为垂直配向层与水平配向层的组合。举例而言，第一配向层960为水平配向层，而第二配向层970d为垂直配向层。
图16A绘示图15A或图15C中的第一配向层或第二配向层的根据本发明的一实施例的配向(alignment direction)。请参照图16A，在一实施例中，第一配向层960与第二配向层970的配向L1具有均匀的空间分布。换言之，在第一配向层960或第二配向层970的不同区域中的配向的方位角(azimuthal angle)彼此相同。
图16B绘示图15A或图15C中的第一配向层或第二配向层的根据本发明的另一实施例的另一种变化的配向。请参照图16B，在另一实施例中，第一配向层960a与第二配向层970a的配向L1具有不规则的空间分布。换言之，在第一配向层960a或第二配向层970a的不同区域中的配向的方位角彼此不同。不同的配向与不同的方位角可折射或绕射来自光源810的不同偏振方向的光束811。
图17A为采用图16B的配向层的可调式光投射器的剖面示意图。图17B为图17A中的光斑区域与配向层的上视示意图。请参照图17A与图17B，本实施例的可调式光投射器800c类似于图11A的可调式光投射器800，且其主要差异如下所述。在本实施例的可调式光投射器800c中，第一配向层960a与第二配向层970a的配向之不规则的空间分布的局部相同配向区域R1小于可调式液晶面板900c上的被来自固定式光学相位调制器820的光束811照射的光斑区域R2。因此，具有各种偏振方向的光束811皆可被液晶层900c折射或绕射。
图18A、图18B及图18C绘示一可调式液晶面板的剖面示意图及在三种不同的模式下施加至液晶层的电压差。请参照图18A、图18B及图18C，本实施例的可调式液晶面板900f类似于图14C的可调式液晶面板900b，且其主要差异如下所述。本实施例的可调式液晶面板900f更包括高阻抗层980(相同于图8之高阻抗材料层640)，其邻接图案化层(如第一电极层940)。在图18A中，当第一电极层940与第二电极层950之间的电压差为零，施加于液晶层930b的电压差ΔV为零，且液晶层930b处于散射模式，且用以散射来自固定光学相位调制器820的光束811。
在18B中，当第一电极层940与第二电极层950之间的电压差为高频的交流电压时(此“高频”例如是大于1kHz且小于等于60kHz的频率)，施加于液晶层930的电压差ΔV由于高阻抗层930的作用而随着位置逐渐变化，且液晶层930b处于散射且聚光模式，且用以些微散射且会聚来自固定式光学相位调制器820的光束811。
在18C中，当第一电极层940与第二电极层950之间的电压差为低频的交流电压时(此“低频”例如是大于等于60Hz且小于等于1kHz的频率)，施加于液晶层930的电压差ΔV在不同的位置上大约保持恒定，液晶层930b处于透明模式且类似透明层，且光束811穿透液晶层930b。此外，上述“高频”大于上述“低频”。
图19A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图，且图19B为图19A中的第一基板的上视示意图。请参照图19A与图19B，本实施例的可调式液晶面板900g类似于图15A的可调式液晶面板900c，且其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板900g中，第一电极层940g与第二电极层950g两者皆配置于同一基板(例如第一基板910)，且皆为图案化层。第一电极层940g与第二电极层950g具有横向电场切换(in-plane switch,IPS)的电极设计。具体而言，第一电极层940g包括多个导电微图案942g，且第二电极层950g包括多个导电微图案952g。导电微图案942g与导电微图案952g沿着一方向(例如图19A与图19B中的右方向)交替配置。导电微图案942g与导电微图案952g可具有直线形状。举例而言，导电微图案942g与导电微图案952g的每一者可沿着垂直于图19A的图面的一方向延伸。然而，在本实施例中，导电微图案942g与导电微图案952g可具有如图19B所绘示的之字形状(zigzag shape)。
图20A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图，且图20B为图20A中的第一基板的上视示意图。本实施例的可调式液晶面板900h类似于图19A中的可调式液晶面板900g，且其主要差异如下所述。在本实施例的可调式液晶面板900h中，第一电极层940g与第二电极层950h具有边缘场切换(fringe-field switch,FFS)的电极设计。第二电极层950h为平坦连续层，其介于第一电极层940g与第一基板910之间，且第一电极层940g与第二电极层950被配置其间的绝缘层990将彼此绝缘。图20A与图20B中的第一电极层940g相同于图19A与图19B中的第一电极层940g的描述。
图21A为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图21A，本实施例的可调式液晶面板900j类似于图14B的可调式液晶面板900a，且其主要差异如下所述。在可调式液晶面板900j中，第一电极层940与第二电极层950j为分别配置于第一基板910上与第二基板920上的二个图案化层，且此二个图案化层的图案彼此相同。然而，在其他实施例中，此二个图案化层的图案可以彼此不同。
图21B为本发明的另一实施例的可调式液晶面板的剖面示意图。请参照图21B，本实施例的可调式液晶面板900i类似于图19A或图20A中的可调式液晶面板900g或900h，且其主要差异如下所述。本实施例的可调式液晶面板900i包括配置于第一基板910上的如图19A所绘示者的第一电极层940g与第二电极层950g，且包括配置于第二基板920上之如图20A所绘示者的第一电极层940g与第二电极层950。也就是说，第一基板910侧具有横向电场切换的电极设计，且第二基板920侧具有边缘场切换的电极设计。然而，在其他实施例中，第一基板910侧与第二基板920侧可皆具有横向电场切换的电极设计，或是第一基板210侧与第二基板920侧可皆具有边缘场切换的电极设计。
图22为本发明的另一实施例的可调式光投射器的剖面示意图。本实施例的可调式光投射器800k与图11A及图11B的可调式光投射器800类似，而两者的差异在于固定式光学相位调制器820与可调式液晶面板900的排列顺序。在图11A与图11B中，固定式光学相位调制器820配置于光源810与可调式液晶面板900之间。然而，在本实施例中，可调式液晶面板200配置于光源810与固定式光学相位调制器820中，也就是固定式光学相位调制器820配置于来自可调式液晶面板200的光束的路径上，如此当可调式液晶面板900在如前述实施例的不同模式间切换时，仍可以使后来通过固定式光学相位调制器820的光束在结构光与泛光之间切换。
综上所述，在本发明的实施例的可调式光投射器中，利用可调式液晶面板来使光束在结构光与泛光之间切换，因此本发明的实施例将泛光系统与结构光系统整合成单一系统，其减少了具有结构光与泛光功能的电子装置的成本与体积。上述多种可调式光投射器的每一者可取代光学感测装置中的前述多种结构光投射器的任一者，以形成一个兼具泛光辨识功能与结构光辨识功能的光学感测装置。在泛光辨识功能中，感测器可感测物体，并判断物体是否为人脸。在结构光辨识功能中，感测器可感测物体上的光图案，并判断所侦测到的人脸是否为电子装置的使用者的脸。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，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，故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。

Claims (17)

1.一种可调式光投射器，其特征在于，包括：
光源，用以发出光束；
固定式光学相位调制器，配置于该光束的路径上，且用以调制该光束的相位；
可调式液晶面板，配置于该光束的路径上，且用以使该光束在结构光与泛光之间切换，该可调式液晶面板包括：
第一基板；
第二基板；
液晶层，配置于该第一基板与该第二基板之间；
第一电极层；
第二电极层，其中该第一电极层与该第二电极层的至少其中之一为图案化层，且该第一电极层与该第二电极层皆配置于该第一基板与该第二基板的其中之一上，或分别配置于该第一基板与该第二基板上；
第一配向层，配置于该第一基板与该液晶层之间；以及
第二配向层，配置于该第二基板与该液晶层之间，其中该第一配向层与该第二配向层的配向具有不规则的空间分布，在该第一配向层或该第二配向层的至少部分不同区域中的配向的方位角彼此不同，该至少部分不同区域中的不同的配向的方位角用于折射或绕射来自该光源的不同偏振方向的光束；以及
驱动器，电性连接至该第一电极层与该第二电极层，且用以改变该第一电极层与该第二电极层之间的电压差，进而使该光束在该结构光与该泛光之间切换。
2.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该固定式光学相位调制器用以将该光束调制成结构光或泛光。
3.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该固定式光学相位调制器用以将该光束调制成准直光。
4.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该图案化层具有多个微开孔，其所具有的最大直径小于1毫米。
5.根据权利要求4所述的可调式光投射器，其特征在于，该多个微开孔的形状包括圆形、矩形、正方形、六边形或其组合。
6.根据权利要求4所述的可调式光投射器，其特征在于，该多个微开孔的尺寸与位置是规律的。
7.根据权利要求4所述的可调式光投射器，其特征在于，该多个微开孔的尺寸与位置是不规律的。
8.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该液晶层的光学空间相位分布随着该电压差的改变而改变，进而使该光束在该结构光与该泛光之间切换。
9.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该液晶层包括向列型液晶、聚合物分散液晶或聚合物网络液晶。
10.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该第一配向层与该第二配向层为垂直配向层、水平配向层或其组合。
11.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该不规则的空间分布的局部相同配向区域小于该可调式液晶面板上的被来自该固定式光学相位调制器的该光束照射的光斑区域。
12.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，更包括高阻抗层，邻接该图案化层。
13.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该图案化层包括多个导电微图案。
14.根据权利要求13所述的可调式光投射器，其特征在于，该多个导电微图案具有直线形状或之字形状。
15.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该第一电极层与该第二电极层具有横向电场切换或边缘场切换的电极设计。
16.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该第一电极层与该第二电极层为二图案化层，分别配置于该第一基板与该第二基板，且该二图案化层的图案彼此不同。
17.根据权利要求1所述的可调式光投射器，其特征在于，该第一电极层与该第二电极层为二图案化层，分别配置于该第一基板与该第二基板，且该二图案化层的图案彼此相同。
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