CN114051656A

CN114051656A - 从具有机发光二极管显示屏幕的设备投射结构光图案

Info

Publication number: CN114051656A
Application number: CN202080045251.5A
Authority: CN
Inventors: 尼可利诺·史坦修
Original assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2022-02-15
Also published as: WO2020256634A1; TW202115363A; US20220228857A1; TWI753452B; EP3987248B1; EP3987248A1; US11920919B2

Abstract

一种包括显示屏幕的设备，该显示屏幕包括以特定间距设置在第一平面中的OLED像素。光投射器包括设置在与该第一平面平行的第二平面中的发光元件。发光元件以与OLED像素相同的间距设置或以该多个OLED像素的间距的整数倍设置。发光元件可操作以产生具有用于透射通过显示屏幕的波长的光，并且第一平面与第二平面彼此之间以距离D分离，以使d²＝2*(λ)*(D)/(N)，其中d是OLED像素的间距、λ是波长并且N是正整数。

Description

从具有机发光二极管显示屏幕的设备投射结构光图案

技术领域

本公开涉及从具有机发光二极管(OLED)显示屏幕的设备投射结构光图案。

背景技术

举例而言，在需确定与场景中存在对象的距离的应用中，可使用结构光。通过由结构光在该场景中所产生的光图案，可以根据对象与发射结构光的设备间的距离来区别对象。游戏主机例如可包含图案投射器，用于以结构光照射其中玩家存在的场景，而该照射场景被成像并分析以实现该场景的三维(3D)映射(也被称作深度映射)。

在另一示例中，结构光可用以识别用户。在这种示例中，结构光可包含光点的阵列。检测器接收到该光点的反射，且处理器使用该反射光来确定该脸部是否为授权用户的脸部。如果该脸部是授权用户的脸部，则处理器可解锁设备并允许该设备可以被使用。该设备可举例而言是智能手机或其他便携式主机计算装置。

发明内容

本公开描述从具有机发光二极管(OLED)显示屏幕的设备投射结构光图案。该设备可举例而言是智能手机、游戏主机、或其他便携式主机计算装置。

举例而言，在一方面中，一种设备包括显示屏幕，该显示屏幕包括以特定间距设置在第一平面中的OLED像素。光投射器包括设置在与该第一平面平行的第二平面中的发光元件。发光元件以与OLED像素相同的间距设置或以OLED像素的间距的整数倍设置。发光元件可操作以产生具有用于透射通过显示屏幕的波长的光，并且第一平面与第二平面彼此之间以距离D分离，以使d²＝2*(λ)*(D)/(N)，其中d是间距，λ是波长，并且N是正整数。

一些实施例包括以下特征中一个或多个特征。举例而言，在一些情况下，OLED像素以二维阵列布置，并且发光元件以二维阵列布置。发光元件可例如是VCSEL。在一些情况下，VCSEL(或其他的发光元件)处于具有与OLED像素的布置的定向相同的定向的布置中。VCSEL的布置可相对于OLED像素的布置在第二平面中横向移位。优选地，所述多个VCSEL与所述多个OLED像素中的每一个被布置成使该VCSEL的布置的定向不相对于该OLED像素的布置的定向而旋转。

在一些情况下，发光元件中的每一个被布置以照射该OLED像素的相应子集，并且该子集中的每一个包括多个相邻OLED像素，以使得来自发光元件中每一个特定的发光元件的光穿过相应子集中的OLED像素中的不同的OLED像素以产生干涉图案。

显示屏幕与光投射器可以被集成为例如便携式计算装置(例如，智能手机)的一部分。

根据另一方面，一种方法包括使用发光元件产生波长λ的光，以及使由该发光元件所产生的光透射通过显示屏幕，该显示屏幕包括以特定间距设置在第一平面中的OLED像素。该发光元件被设置在与该第一平面平行的第二平面中，并且该发光元件以与所述多个OLED像素相同的间距设置(或以该间距的整数倍设置)。该第一平面与第二平面彼此之间以距离D分离，以使d²＝2*(λ)*(D)/(N)，其中d是间距，并且N是正整数。

一些实施例包括以下特征中一个或多个特征。例如，在一些情况下，该发光元件中的每一个照射该OLED像素的相应子集，并且该子集中的每一个包括多个相邻OLED像素，以使得来自发光元件中每一个特定的发光元件的光穿过相应子集中的OLED像素中的不同的OLED像素以产生干涉图案。

在一些情况下，通过发光元件所产生的光透射通过智能手机的显示屏幕。

在一些实施方式中，该干涉图案可以被投射到场景上，该场景中的至少一个对象反射该光中的一些。该方法可包括感测至少一些反射光，以及使用由感测到的光所产生的信号用于眼睛追踪或其他应用。

从以下详细说明、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将显而易见。

附图说明

图1描绘根据本公开实施例的设备的示例；

图2描绘其中集成本公开方面的便携式主机计算装置的示例；

图3描绘根据本公开一些实施方式的设备的更多细节。

具体实施方式

如图1所描绘，设备(光电系统)包括光投射器20以将结构光图案28投射到感兴趣场景26中的一个或多个对象上。在一些实施方式中，该投射图案由IR(红外线)或光谱中近IR区域的光所构成。来自投射图案28的光可被场景26中一个或多个对象反射以及被图像传感器22感测，该图像传感器包括对由光投射器20所发射的光的波长敏感的空间上分布的光敏组件(例如，像素)。该检测信号可以被例如用于立体匹配的处理电路读出与使用以生成3D图像。在一些情况下，一个或多个光学元件(诸如透镜27)有助于将从场景26反射的光导向图像传感器22。例如对提供附加纹理用于匹配立体图像中的像素而言，使用结构光可以是有利的。

在另一示例中，结构光图案28可从用户的脸部反射，并且反射光可以被图像传感器22感测。检测到的信号可用以建立用户脸部的深度图。可接着将该深度图与授权用户的深度图进行比较。

在一些实施方式中，光投射器20、透镜27、以及图像传感器22被集成于便携式主机计算装置100(诸如移动电话(蜂窝电话)、智能手机、平板计算机、个人数字助理、或具联网能力的笔记本计算机)内(请见图2)。在这种情况下，光投射器20、透镜27、以及图像传感器22可以被设置在主机装置的显示屏幕24下方。

显示屏幕24可以被实现为OLED显示屏幕。OLED是发光二极管(LED)，其中发射电致发光层是响应于电流而发光的有机化合物的薄膜。该有机层位于两电极之间，其中至少一个电极对由光投射器20所产生的光是透明或半透明的。由于OLED的像素产生其自己的光，因此，OLED显示屏幕24无需背光且可以是超薄的。此外，可逐个像素地控制OLED屏幕的亮度。这些特征使OLED显示屏幕非常适用于诸如智能手机等的便携式主机计算装置。

一般而言，OLED像素阵列的间距确定由OLED显示屏幕24所显示的图像的分辨率。像素间距例如提供像素密度的指示，该密度是由两个相邻像素的中心之间的距离所计算出。等效度量是指示每英寸像素数(ppi)。举例而言，一些智能手机具有具备1920×1080像素阵列的5英寸(130mm)显示面板，其对应于约441ppi(约58μm的像素间距)。其他智能手机具有具备2：1宽高比与2880×1440像素阵列的6英寸(150mm)显示面板，其约为538ppi(约47μm的像素间距)。又有其他智能手机具有约458ppi的2436×1125像素阵列(或约55μm的像素间距)。一般来说，像素间距可以是30μm或以上。一般来说，像素间距可高达70μm。一些便携式计算装置使用具有与前述示例不同分辨率的OLED显示屏幕。

如下文中所详细描述，光投射器20被布置以使得由光投射器产生的光信号穿过OLED显示屏幕24并产生结构光图案28，其可以包括投射到主机装置外部的场景26中一个或多个对象上的离散特征的图案。

如图3所描绘，光投射器20可包括例如一个或多个发光元件30(例如，高功率发光元件)，诸如可操作以发射预定窄范围波长(例如，在光谱的IR或近IR部分)的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列。发光元件30的每一个可操作例如以发射在约850nm+/-10nm范围内的光、或在约830nm+/-10nm范围内的光、或在约940nm+/-10nm范围内的光。不同的波长与范围可适用于其他的实施方式。

OLED显示屏幕24的每个OLED像素包括可透射红外辐射(如由发光元件所发射的)的部分。该透射部分可例如为每个像素的面积的大约一半。该透射部分可例如是矩形、六边形、或具有一些其他形状。每个OLED的透射部分用作光投射器20发射的光所穿过的孔。OLED显示屏幕用作二维衍射光栅。这致使由VCSEL所发射的光中的干涉，其可用以获得结构光图案28。

为获得具有强对比度的结构光图案28，VCSEL阵列应具有相同的周期性布置，包括与OLED像素阵列相同的间距(或者，等效地，相同的ppi)。因此，如果OLED显示屏幕24具有例如以间距d的像素的规则布置，则VCSEL 30应以相同间距予以布置。此外，VCSEL 30的阵列应具有与显示屏幕24中OLED像素的阵列相同的定向(例如，包含VCSEL的网格与包含OLED像素的网格应具有平行轴线)。虽然VCSEL 30的布置可移位(例如，在平行于OLED像素的平面的平面中横向移位)，但VCSEL的布置优选应不相对于显示屏幕24中OLED像素的布置而旋转。

VCSEL阵列的平面与OLED像素阵列的平面之间的距离可被称为D。优选的是，包含VCSEL阵列的平面与包含OLED像素阵列的平面彼此平行。如图3所示出，由VCSEL光束产生并穿过OLED显示屏幕24的结构光图案28被记录在远场(far-field)中。黑点指示高光强度的位置，而白区域指示低光强度的区。对于特定选择的间距d、波长λ与距离D，结构光图案28中存在的对比度特别的高，而针对其他距离D，在所建立图案中仅存在低得多的对比度。描述在结构光图案28中获得非常强烈对比度的间距d、波长λ与距离D的值之间的关系的方程式如下：

d²＝2*(λ)*(D)/(N)，

其中N代表正整数(例如，1、2、3、4等)。特定示例中，VCSEL 30发射光谱中红外线范围内的光(例如，940nm)，并且整数N被设定成N＝1，针对约45μm的间距(d)，VCSEL阵列平面与OLED像素阵列的平面之间的距离(D)为约1.08mm。不同值可适用于其他实施方式。如果使用N＝2，则在图案28中可见更强对比度，并且距离D可被减半(如果其他值维持相同)。上述方程式被描述于US10509147中，其内容在此通过引用并入本文中。

在一些情况下，VCSEL 30中每一个被布置以照射该OLED显示屏幕24的像素的相应子集，该子集中的每一个包括多个相邻像素，以使得来自VCSEL中每个特定的VCSEL的光穿过相应子集中的像素中的不同像素以产生干涉图案。所有干涉图案被迭加，以使得结构光产生高密度干涉图案，其可用于照射场景。结构光是源自于通过不同OLED像素传播的光的干涉而建立的干涉图案的事实将使得结构光的对比度可以在距OLED显示屏幕24广范围的距离内维持基本上恒定(例如，在远场中，例如从约5cm-10cm到无限远)。

在一些情况下，OLED像素与VCSEL中每一个以阵列(例如，线性阵列或2D阵列)布置。

一般来说，从迭加的干涉图案所形成的图案光投射是基于VCSEL阵列与OLED像素阵列的周期性。照射场(field of illumination，FOI)受VCSEL 30的散度的限制。因此，上述技术特别适用于诸如点状图案辨识(例如，眼睛追踪)等仅需要相对小FOI的应用。本技术还可用于场景的3D映射或检测对象的运动。这些应用可以被集成到例如智能手机(参见图2)以及其他包括OLED显示屏幕的便携式计算装置中。该技术也可用于经由脸部的深度映射进行的脸部辨识(例如，用以确定用户是否为智能电话或其他便携式计算装置的授权用户)。

在上述实施例中，OLED显示屏幕24具有以间距d的像素的规则布置，且VCSEL 30具相同间距d。然而，在其他实施例中，VCSEL 30的间距可以是OLED显示屏幕的间距的整数倍。举例而言，VCSEL 30的间距可以是2d，可以是3d等。

在一些情况下，光投射器20、透镜28以及图像传感器22是具备相同光电模块的组件。在其他实施方式中，光投射器20可以是没有与图像传感器22和/或透镜28被集成到相同模块中的分立组件。

在本公开中参照的智能手机与其他便携式计算装置的设计可包括一个或多个处理器(例如，诸如微处理器的电子控制单元)、一个或多个存储器(例如，RAM)、储存器(例如，磁盘或闪存)、用户接口(其可包括例如，小键盘、OLED显示屏幕、触碰或其他手势传感器、相机或其他光学传感器、罗盘传感器、3D磁力仪、3轴加速度计、3轴陀螺仪、一个或多个麦克风等，连同用于提供图形用户接口的软件指令)、在这些元件之间的互连(例如，总线)、以及用于与其他装置通信的接口(其可以是无线和/或有线的，无线诸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或蓝牙，有线诸如通过以太网局域网、T-1因特网连接等)。各种组件可以被设置在盖玻璃下方。

前述技术有助于实现可操作以产生具有高对比度的结构光图案的设备。微透镜阵列并非是必须，因为OLED显示屏幕(其用作二维衍射光栅)提供干涉图案，该干涉图案迭加以形成结构光图案28。由于微透镜阵列并非必需，因此设备成本可降低。

虽然本文档包含许多特定实施方式细节，但其不应被解释成是对本发明或要求保护的范围的限制，而是应被解释成是本发明特定实施例特定的特征的说明。在本文档中的分开实施例的上下文中所描述的特定特征也可被结合在单个实施例中实施。相反的，在单个实施例的上下文中所描述各种特征也可单独实施在多个不同实施例中或以任何适当子组合而实施。此外，尽管在上文中可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初是如此要求保护，但是在某些情况下可以从所要求保护的组合中切除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。因此，其他实施方式是在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种设备，包含：

显示屏幕，包括以特定间距设置在第一平面中的多个OLED像素；

光投射器，包括多个发光元件，所述多个发光元件被设置在与所述第一平面平行的第二平面中，所述多个发光元件被以与所述多个OLED像素相同的间距设置，或以所述多个OLED像素的所述间距的整数倍设置，其中，所述多个发光元件能够操作以产生具有用于透射通过所述显示屏幕的波长的光，并且其中，所述第一平面与所述第二平面彼此之间以距离D分离，以使d²＝2*(λ)*(D)/(N)，其中d是所述OLED像素的所述间距，λ是所述波长，并且N是正整数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述OLED像素以二维阵列布置，并且其中所述发光元件以二维阵列布置。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述发光元件是VCSEL。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述多个VCSEL处于具有与所述多个OLED像素的布置的定向相同的定向的布置中。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述多个VCSEL的布置相对于所述多个OLED像素的布置在所述第二平面中横向移位。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述多个VCSEL与所述多个OLED像素中的每一个被布置成使所述VCSEL的布置的定向不相对于所述OLED像素的布置的定向而旋转。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其中所述发光元件中的每一个被布置以照射所述OLED像素的相应子集，并且所述子集中的每一个包括多个相邻OLED像素，以使得来自所述发光元件中每一个特定的发光元件的光穿过所述相应子集中的所述OLED像素中的不同的OLED像素以产生干涉图案。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中所述显示屏幕与光投射器被集成为便携式计算装置的一部分。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述便携式计算装置是智能手机。

10.一种方法，包含：

使用多个发光元件产生波长λ的光；以及

使由所述多个发光元件所产生的所述光透射通过显示屏幕，所述显示屏幕包括多个OLED像素，所述多个OLED像素以特定间距设置在第一平面中，其中所述多个发光元件被设置在与所述第一平面平行的第二平面中，所述多个发光元件被以与所述多个OLED像素相同的间距设置，或以所述多个OLED像素的所述间距的整数倍设置，并且其中所述第一平面与所述第二平面彼此之间以距离D分离，以使d²＝2*(λ)*(D)/(N)，其中d是所述OLED像素的所述间距，并且N是正整数。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述发光元件中的每一个照射所述OLED像素的相应子集，并且所述子集中的每一个包括多个相邻OLED像素，以使得来自所述发光元件中每一个特定的发光元件的光穿过所述相应子集中的OLED像素中的不同的OLED像素以产生干涉图案。

12.根据权利要求11所述的方法，其中由所述多个发光元件所产生的所述光透射通过智能手机的显示屏幕。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述干涉图案被投射到场景上，所述场景中的至少一个对象反射所述光中的一些，所述方法包括：

感测至少一些反射光。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括使用由感测到的光所产生的信号用于眼睛追踪。

15.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中所述发光元件是VCSEL。