CN114911065A - 光投射装置 - Google Patents

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Abstract

一种光投射装置，包含光源、可调光学元件和绕射光学元件。光源经配置为发射光线。可调光学元件设置于光源上方以折射光线。可调光学元件为位置可调或有效焦距可调。绕射光学元件设置于可调光学元件上方，以绕射光线至空间区域。本发明的光投射装置整合结构光投射和泛光投射等功能，可降低生产成本，且可依据使用需求调整为聚焦发射出的光线而投射结构光或是散焦发射出的光线而投射泛光。

Description

光投射装置
技术领域
本发明涉及一种光投射装置，且特别是指一种整合结构光投射和泛光投射的光投射装置。
背景技术
三维立体影像感测技术已逐渐采用于各种应用上，例如脸部辨识和障碍物检测。对于脸部辨识而言，泛光照明器通常用于验证人脸，而结构光投影器通常用于计算人脸的表面轮廓。一些传统的电子设备，例如移动电话，包含泛光照明器和结构光投影器，以进行各种应用的脸部辨识功能，例如设备解锁和移动支付等。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种光投射装置，其整合结构光投射和泛光投射功能，以降低生产成本。
本发明的一方面是指一种光投射装置，其包含光源、可调光学元件和绕射光学元件(diffractive optical element；DOE)。光源经配置为发射光线。可调光学元件设置于光源上方以折射光线。可调光学元件为位置可调或有效焦距(effective focal length)可调。绕射光学元件设置于可调光学元件上方，以绕射光线至空间区域。
依据本发明一或多个实施例，若上述光源在可调光学元件的聚焦面上，则投射在空间区域的光线具有结构光(structured light)图案，且若上述光源自可调光学元件的聚焦面散焦，则投射在空间区域的光线具有泛光(flood light)图案。
依据本发明一或多个实施例，上述光源自可调光学元件的聚焦面散焦大约200微米至大约600微米，以投射泛光至空间区域。
依据本发明一或多个实施例，上述绕射光学元件为二维扇出型(fan out)绕射光学元件。
依据本发明一或多个实施例，上述光源为垂直共振腔面射型激光源(verticalcavity surface emitting laser；VCSEL)阵列。
依据本发明一或多个实施例，上述光投射装置还包含步进马达，其经配置为调整可调光学元件相对于光源的位置。
依据本发明一或多个实施例，上述可调光学元件为液晶透镜，且上述光投射装置还包含液晶透镜驱动器，其经配置为施加电压信号至液晶透镜，以调整液晶透镜的有效焦距。
依据本发明一或多个实施例，上述光投射装置还包含光感测器，其经配置为感测在空间区域反射的光线。
依据本发明一或多个实施例，上述光感测器为结构光感测器、飞时测距(time offlight；ToF)感测器或上述组合。
本发明另一方面是指一种光投射装置，其包含第一和第二光源、第一和第二光学元件、以及第一和第二绕射光学元件。第一光源经配置为发射第一光线。第一光学元件设置于第一光源上方，以折射第一光线。第一光源在第一光学元件的聚焦面上。第一绕射光学元件设置于第一光学元件上方，以绕射第一光线至空间区域。第二光源经配置为发射第二光线。第二光学元件设置于第二光源上方，以折射第二光线。第二光源自第二光学元件的聚焦面散焦。第二绕射光学元件设置于第二光学元件上方，以绕射第二光线至空间区域。第一光源和第一光学元件分别与第二光源和第二光学元件相同。
依据本发明一或多个实施例，上述第一与该二绕射光学元件为相同。
综上所述，本发明的有益效果至少在于，所提供的光投射装置整合结构光投射和泛光投射等功能，可降低生产成本，且可依据使用需求调整为聚焦发射出的光线而投射结构光或是散焦发射出的光线而投射泛光。
附图说明
为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合所附附图所做的下列描述，其中：
图1为依据本发明一些实施例的光投射装置的示意图；
图2示意性地绘示依据一示例的图1所示的光投射装置的元件投射结构光图案至空间区域；
图3示意性地绘示依据一示例的图1所示的光投射装置的元件投射泛光图案至空间区域；
图4为依据本发明一些实施例的光投射装置的示意图；
图5为依据本发明一些实施例的光投射装置的示意图；
图6为依据本发明一些实施例的光投射装置的示意图；
图7示出由相同的光源且通过光投射装置的相同的3×3扇出型绕射光学元件并由相同的光感测器撷取的结构光投射和泛光投射；
图8示出由相同的光源且通过具特定强度设计的相同的9×11扇出型绕射光学元件并由相同的光感测器撷取的结构光投射和泛光投射；
图9示出由相同的光源且通过具其他强度设计的相同的9×11扇出型绕射光学元件并由相同的光感测器撷取的结构光投射和泛光投射。
具体实施方式
以下仔细讨论本揭露的实施例。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论、揭示的实施例仅供说明，并非用以限定本揭露的范围。
可被理解的是，虽然在本文可使用“第一”、“第二”等用语来描述各种元件和/或零件，但此些用语不应限制此些元件和/或零件。此些用语仅用以区别一元件和/或零件与另一元件和/或零件。
在本文中所使用的用语仅是为了描述特定实施例，非用以限制申请专利范围。除非另有限制，否则单数形式的“一”或“该”用语也可用来表示复数形式。另外，空间相对性用语的使用是为了说明装置在使用或操作时的不同方位，而不只限于附图所绘示的方向。装置也可以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，而在此使用的空间相对性描述也可以相同方式解读。
为了简化和明确说明，本文可能会在各种实施例中重复使用元件符号和/或字母，但这并不表示所讨论的各种实施例及/或配置之间有因果关系。
图1为依据本发明一些实施例的光投射装置100的示意图。光投射装置100可以是例如移动电话、平板计算机或智能眼镜，但本发明不限于此。如图1所示，光投射装置100包含光源110、可调光学元件120、绕射光学元件(diffractive optical element；DOE)130和光感测器140。光源110经配置为发射光线。发射出的光线可在可见光波长范围或近红外光波长范围内，但本发明不限于此。光源110可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)、垂直共振腔面射型激光源阵列、分布反馈式(distributed feedback；DFB)半导体激光源或其他合适的光源。可调光学元件120设置于光源110上方，以折射由光源110发出的光线至绕射光学元件130。可调光学元件120的位置和/或有效焦距可被调整，以决定经折射的光线成分在绕射光学元件130上的分布。可调光学元件120可以是凸透镜、凹透镜、液晶透镜或相似者。绕射光学元件130设置于光源110上方，以将经折射的光线转换为投射光线图案并将投射光线图案投射至空间区域。绕射光学元件130可具有光栅结构、微透镜结构、菲涅尔(Fresnel)结构、全像光学元件(holographic optical element；HOE)结构或其他适于绕射光线的结构，使得经折射的光线通过绕射光学元件130的绕射原理而转换为投射光线图案。绕射光学元件130可以是二维扇出型(fan out)绕射光学元件，其在所投射的空间区域的多个分区投射相同的结构光图案。光感测器140经配置为感测在空间区域的光线图案，以撷取对应光学图案的影像。光感测器140可以是结构光感测器、飞时测距(time of flight；ToF)感测器或上述组合，且可包含电荷耦合元件(charge-coupled device；CCD)感测器、互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor；CMOS)感测器或相似者。依据光源110、可调光学元件120和绕射光学元件130的设置，光投射装置100可被操作为结构光投射器(亦称为点阵投影器)或泛光投射器(亦称为泛光照明器)。
在某些实施例中，绕射光学元件130可改变为光学设置于光源110与可调光学元件120之间。此外，可调光学元件120和绕射光学元件130可整合为单个模块。
图2示意性地绘示依据一示例的光投射装置100的元件投射结构光图案至空间区域P1。在此示例中，光源110为垂直共振腔面射型激光源照明器阵列，且绕射光学元件130为3×3扇出型绕射光学元件，其在所投射的空间区域的3×3分区中投射相同的结构光图案。随着光源110在可调光学元件120的聚焦面上，绕射光学元件130图案化反射光线以产生结构光图案，且投射结构光图案至空间区域P1。
图3示意性地绘示依据一示例的光投射装置100的元件投射泛光图案至空间区域P2。光源110和绕射光学元件130可分别相同于对应图2的示例的元件。随着光源110自可调光学元件120的聚焦面散焦，绕射光学元件130图案化经折射的光线以产生泛光图案，且投射泛光图案至空间区域P2。用于泛光照射的散焦量可由光源110的密度决定。一般而言，若光源110的密度相对为稀疏，则散焦量相对为大以用于泛光照射。根据光源110、可调光学元件120和绕射光学元件130的设计，光源110可自可调光学元件120的聚焦面散焦大约200微米至大约600微米。
根据上述说明，可调光学元件120可经配置为聚焦发射出的光线而投射结构光，且可经控制为散焦发射出的光线而投射泛光，以达成结构光投射和泛光投射等功能整合在单一光投射装置中，从而降低生产成本。
图4为依据本发明一些实施例的光投射装置200的示意图。如图4所示，光投射装置200包含光源210、可调光学元件220、绕射光学元件230、光感测器240和步进马达250。光源210、绕射光学元件230和光感测器240可分别相同或相似于图1所示的光源110、绕射光学元件130和光感测器140。可调光学元件220可以是准直透镜，例如凸透镜、凹透镜或相似者，且步进马达250可经配置为调整可调光学元件220相对于步进马达250的位置。在步进马达250移动可调光学元件220至距离光源210约为可调光学元件220的有效焦距的位置下，光投射装置200作为投射结构光(例如光点和/或线光)的结构光投射器。相对地，若步进马达250移动可调光学元件220而使得光源210自可调光学元件220的聚焦面散焦，则光投射装置200作为投射泛光(例如光斑)的泛光投射器。
图5为依据本发明一些实施例的光投射装置300的示意图。如图5所示，光投射装置300包含光源310、可调光学元件320、绕射光学元件330、光感测器340和液晶透镜驱动器350。光源310、绕射光学元件330和光感测器340可分别相同或相似于图1所示的光源110、绕射光学元件130和光感测器140。可调光学元件320可设置在距离光源310大约为可调光学元件320的有效焦距的位置而不由液晶透镜驱动器350驱动。可调光学元件320为液晶透镜，且液晶透镜驱动器350可通过分别施加电压信号至可调光学元件320的两相对电极(图未绘示)而调整可调光学元件320的有效焦距。若液晶透镜驱动器350不施加电压信号至可调光学元件320，则光投射装置300作为投射结构光(例如光点和/或线光)的结构光投射器。相对地，若液晶透镜驱动器350施加电压信号至可调光学元件320，则光投射装置300作为投射泛光(例如光斑)的泛光投射器。
图6为依据本发明一些实施例的光投射装置400的示意图。如图6所示，光投射装置400包含光源410A、410B、光学元件420A、420B、绕射光学元件430A、430B和光感测器440。光源410A、410B、绕射光学元件430A、430B和光感测器440可分别相同或相似于图1所示的光源110、绕射光学元件130和光感测器140。光源410A、光学元件420A和绕射光学元件430A可经配置为结构光投射器，而光源410B、光学元件420B和绕射光学元件430B可经配置为泛光投射器。光感测器440经配置为接收自绕射光学元件430A或绕射光学元件430B反射的光线。在某些实施例中，绕射光学元件430B可由微透镜阵列取代。
在一些实施例中，光源410A、光学元件420A和绕射光学元件430A分别相同于光源410B、光学元件420B和绕射光学元件430B，光源410A在光学元件420A的聚焦面上，且光源410B自的聚焦面散焦。依据系统设计，光源410A/410B、光学元件420A/420B和绕射光学元件430A/430B可分别相同或相似于图4所示的光源210、可调光学元件220和绕射光学元件230，或可分别相同或相似于图5所示的光源310、可调光学元件320和绕射光学元件330。
图7示出由相同的光源且通过光投射装置(例如图1所示的光投射装置)的相同的3×3扇出型绕射光学元件并由相同的光感测器撷取的结构光投射和泛光投射。若光源在可调光学元件的聚焦面上，则通过扇出型绕射光学元件而投射的光学图案为如图7所示的结构光投射。当光源自可调光学元件散焦200微米时，通过扇出型绕射光学元件而投射的光学图案为如图7所示的泛光投射。对于相同的光投射装置而言，对应泛光投射的视角(fieldof view；FOV)小于对应结构光投射的视角。
图8示出由相同的光源且通过具特定强度设计的相同的9×11扇出型绕射光学元件并由相同的光感测器撷取的结构光投射和泛光投射。相较于图7所示的结构光投射和泛光投射，对于相同的视角而言，图8所示的结构光投射具有更多的投射光点(其光点密度相对为大)，且图8所示的泛光投射更为扩散。由图7和图8可看出，具较大扇出数量的绕射光学元件可具有更大的轮廓设计自由度。
图9示出由相同的光源且通过具特定强度设计的相同的9×11扇出型绕射光学元件并由相同的光感测器撷取的结构光投射和泛光投射。由图8和图9可看出，结构光投射和泛光投射的图案可随着绕射光学元件的结构图案而改变。绕射光学元件的结构图案可通过利用演算法进行最佳化设计，例如叠代傅立叶转换演算法(iterative Fourier Transformalgorithm；IFTA)、模拟退火(simulated annealing)演算法、和/或相似者，且此演算法可由软件程序实现，并由处理器执行处理器，例如中央处理单元(central processing unit；CPU)。
虽然本揭露已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本揭露，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本揭露的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种光投射装置，其特征在于，包含：
一光源，经配置为发射一光线；
一可调光学元件，设置于该光源上方以折射该光线，该可调光学元件为位置可调或有效焦距可调；以及
一绕射光学元件，设置于该可调光学元件上方，以绕射该光线至一空间区域。
2.如权利要求1所述的光投射装置，其特征在于，若该光源在该可调光学元件的一聚焦面上，则投射在该空间区域的该光线具有一结构光图案；若该光源自该可调光学元件的该聚焦面散焦，则投射在该空间区域的该光线具有一泛光图案。
3.如权利要求2所述的光投射装置，其特征在于，该光源自该可调光学元件的该聚焦面散焦大约200微米至大约600微米，以投射泛光至该空间区域。
4.如权利要求1所述的光投射装置，其特征在于，该绕射光学元件为一二维扇出型绕射光学元件。
5.如权利要求1所述的光投射装置，其特征在于，该光源为一垂直共振腔面射型激光源阵列。
6.如权利要求1所述的光投射装置，其特征在于，还包含：
一步进马达，经配置为调整该可调光学元件相对于该光源的位置。
7.如权利要求1所述的光投射装置，其特征在于，该可调光学元件为一液晶透镜，且该光投射装置还包含：
一液晶透镜驱动器，经配置为施加电压信号至该液晶透镜，以调整该液晶透镜的一有效焦距。
8.如权利要求1所述的光投射装置，其特征在于，还包含：
一光感测器，经配置为感测在该空间区域反射的该光线。
9.如权利要求8所述的光投射装置，其特征在于，该光感测器为一结构光感测器、一飞时测距感测器或上述组合。
10.一种光投射装置，其特征在于，包含：
一第一光源，经配置为发射一第一光线；
一第一光学元件，设置于该第一光源上方，以折射该第一光线，其中该第一光源在该第一光学元件的一聚焦面上；
一第一绕射光学元件，设置于该第一光学元件上方，以绕射该第一光线至一空间区域；
一第二光源，经配置为发射一第二光线；
一第二光学元件，设置于该第二光源上方，以折射该第二光线，其中该第二光源自该第二光学元件的该聚焦面散焦；以及
一第二绕射光学元件，设置于该第二光学元件上方，以绕射该第二光线至该空间区域；
其中该第一光源和该第一光学元件分别与该第二光源和该第二光学元件相同。
11.如权利要求10所述的光投射装置，其特征在于，该第一绕射光学元件与该第二绕射光学元件为相同。
12.如权利要求10所述的光投射装置，其特征在于，该第一绕射光学元件与该第二绕射光学元件中的每一者为一二维扇出型绕射光学元件。
13.如权利要求10所述的光投射装置，其特征在于，该第一光源与该第二光源中的每一者为一垂直共振腔面射型激光源阵列。
14.如权利要求10所述的光投射装置，其特征在于，还包含：
一光感测器，经配置为感测在该空间区域反射的该第一光线或该第二光线。
15.如权利要求14所述的光投射装置，其特征在于，该光感测器为一结构光感测器、一飞时测距感测器或上述组合。
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