CN116893547A - 结构光投射器及三维影像感测装置 - Google Patents

结构光投射器及三维影像感测装置 Download PDF

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Abstract

一种结构光投射器，包含第一光源、一第二光源、光折射元件和光整形元件。第一光源和第二光源经配置为分别发射第一非同调光和第二非同调光。光折射元件设置于第一光源和第二光源上方，以折射该第一非同调光和该第二非同调光。光整形元件设置于光折射元件上方，以整形第一非同调光而产生具多个第一光学图案的第一结构光，并整形第二非同调光而产生具多个第二光学图案的第二结构光，其中第一结构光与第二结构光在空间区域上重叠。

Description

结构光投射器及三维影像感测装置
技术领域
本发明涉及结构光投射，且特别涉及一种结构光投射器及三维影像感测装置。
背景技术
三维立体影像感测技术已逐渐采用在各种应用上，例如脸部识别和障碍物检测等。对于识别应用而言，可采用不同类型的结构光投射机以用于各种用途。举例而言，结构光投射器可投射光点图案以用于计算人脸的表面轮廓，且可投射光线形图案以用于计算人类动作。另一方面，结构光投射器的投射均匀度为攸关感测品质的关键因素之一。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种结构光投射器和三维影像感测装置，其投射具高均匀度的光图案以实现更佳的三维感测品质。
本发明的一方面是指一种结构光投射器，其包含第一光源、一第二光源、光折射元件和光整形元件。第一光源和第二光源经配置为分别发射第一非同调光和第二非同调光。光折射元件设置于第一光源和第二光源上方，以折射该第一非同调光和该第二非同调光。光整形元件设置于光折射元件上方，以整形第一非同调光而产生具多个第一光学图案的第一结构光，并整形第二非同调光而产生具多个第二光学图案的第二结构光，其中第一结构光与第二结构光在空间区域上重叠。
依据本发明的一或多个实施例，上述第一光源与上述光折射元件之间的距离实质同于上述第二光源与上述光折射元件之间的距离。
依据本发明的一或多个实施例，上述第一光源和上述第二光源均为垂直共振腔面射型激光源(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)。
依据本发明的一或多个实施例，上述此些第一光学图案和上述此些第二光学图案均为M×N个光点图案，且上述第一光学图案的(M-1)×N个光点图案与上述第二光学图案的(M-1)×N个光点图案在上述空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
依据本发明的一或多个实施例，上述光整形元件为二维扇出型(fan out)衍射光学元件(diffractive optical element；DOE)。
依据本发明的一或多个实施例，上述光整形元件为微透镜阵列。
依据本发明的一或多个实施例，上述结构光投射器还包含光图案化元件，其设置于上述光折射元件与上述光整形元件之间。
依据本发明的一或多个实施例，上述光图案化元件为衍射式线形图案产生元件。
依据本发明的一或多个实施例，上述此些第一光学图案和上述此些第二光学图案均为M×N个光线形图案，且上述此些第一光学图案的(M-1)×N个光线形图案与上述此些第二光学图案的(M-1)×N个光线形图案在空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
依据本发明的一或多个实施例，上述光整形元件和上述光图案化元件均为一维扇出型衍射光学元件。
依据本发明的一或多个实施例，上述光折射元件与上述光图案化元件为整合式一维扇出型衍射光学元件。
依据本发明的一或多个实施例，上述结构光投射器还包含光图案化元件，其设置于上述光整形元件的光投射侧上方。
依据本发明的一或多个实施例，上述光整形元件为二维平铺衍射光学元件，且上述光图案化元件为衍射式线形图案产生元件。
依据本发明的一或多个实施例，上述结构光投射器还包含第三光源和第四光源，其分别经配置为发射第三非同调光和第四非同调光。上述光折射元件亦设置于第三光源和第四光源上方，以折射第三非同调光和第四非同调光，且上述光整形元件亦设置为整形第三非同调光而产生具多个第三光学图案的第三结构光，并整形第四非同调光而产生具多个第四光学图案的第四结构光，且第一至第四结构光在空间区域上重叠。
依据本发明的一或多个实施例，上述第一至第四光源分别设置于假想方形的四个角落。
依据本发明的一或多个实施例，上述第一至第四光学图案在两个互为垂直的方向上重叠。
依据本发明的一或多个实施例，上述此些第一光学图案、上述此些第二光学图案、上述此些第三光学图案与上述此些第四光学图案均为M×N个光点图案，且上述此些第一光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案、上述此第二光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案、上述此第三光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案与上述此些第四光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案在空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
依据本发明的一或多个实施例，上述结构光投射器还包含光图案化元件，其设置于上述光折射元件与上述光整形元件之间。上述此些第一光学图案、上述此些第二光学图案、上述此些第三光学图案和上述此些第四光学图案均为M×N个光线形图案，且上述此些第一光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案、上述此些第二光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案、上述此些第三光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案与上述此些第四光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案在上述空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
依据本发明的一或多个实施例，上述光折射元件为准直透镜。
本发明的另一方面是指一种三维影像感测装置，其包含多个光源、光折射元件、光整形元件、影像感测器和处理器。此些光源经配置为分别发射多个非同调光。光折射元件设置于此些光源上方以折射此些非同调光。光整形元件设置于光折射元件上，以整形此些非同调光而产生多个结构光，其中每一此些结构光具多个光学图案，且此些结构光在空间区域上重叠。影像感测器经配置为从上述空间区域获取影像。处理器经配置为对影像进行运算以得到与空间区域相关的三维数据。
附图说明
为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合说明书附图所做的下列描述，其中：
图1为依据一实例的结构光投射器的示意图；
图2为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图3A说明性地示出由图2中结构光投射器所投射的具光点图案的结构光；
图3B、3C分别示出图3A中具光点图案的结构光；
图4为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图5为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图6为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图7A说明性地示出图6中结构光投射器所投射的具光线形图案的结构光；
图7B、7C分别示出图7A中具光线形图案的结构光；
图8为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图9示出依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示例性设置；
图10为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图11A说明性地示出图10中结构光投射器所投射的具光点图案的结构光；
图11B-11E分别示出图11A中具光点图案的结构光；
图12为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器的示意图；
图13A说明性地示出图12中结构光投射器所投射的具光线形图案的结构光；
图13B-13E分别示出图13A中具线形图案的结构光；
图14A、14B分别说明性地示出由比较例和图11中结构光投射器所投射的具光线形图案的结构光；
图15A、15B分别说明性地示出由比较例和图10中结构光投射器所投射的具光点图案的结构光；以及
图16为依据本发明一或多个实施例的三维影像感测装置的示意图。
附图标记说明：
100、200、400、500、600、800、900、1000、1200、1602：结构光投射器
110、210A、210B、410A、410B、510A、510B、610A、610B、810A、810B、910A、910B、1010A-1010D、1210A-1210D、1610：光源
120、220、420、620、820、920、1020、1220、1620：光折射元件
130、230、440、530、640、830、930、1030、1240、1630：光整形元件
430、630、840、1230：光图案化元件
520：整合衍射光学元件
930M：微结构
1600：三维影像感测装置
1604：影像感测器
1606：处理器
DPA、DPB、DPC、DPD：光点图案
LPA、LPB、LPC、LPD：光线形图案
α：角度
θ：夹角
d：间距
S：空间区域
SLA、SLB、SLC、SLD：结构光
具体实施方式
以下仔细讨论本公开的实施例。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，并非用以限定本公开的范围。
可被理解的是，虽然在本文可使用“第一”、“第二”、“第三”、“第四”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，非用以限制权利要求。除非另有限制，否则单数形式的“一”或“该”用语也可用来表示多个形式。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，而不只限于附图所示出的方向。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为依据一实例的结构光投射器100的示意图。如图1所示，结构光投射器100包含光源110、光折射元件120和光整形元件130。光源110经配置为发光。光折射元件120设置于光源110上方，以朝向光整形元件130折射由光源110所发射的光。光整形元件130设置于光折射元件120上方，以转换折射光而成投射光图案并将投射光图案投射至空间区域S上。
图2为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器200的示意图。如图2所示，结构光投射器200包含光源210A、210B、光折射元件220和光整形元件230。每一光源210A、210B经配置为发射非同调光(incoherent light)，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)、分布反馈式(distributedfeedback；DFB)半导体激光源或其他合适的光源。光折射元件220设置于光源210A、210B上方，以朝向光整形元件230折射由光源210A、210B所发射的非同调光。光折射元件220可以是但不限于准直透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜或菲涅耳(Fresnel)透镜。以分别由光源210A、210B所发射相同的非同调光而言，光源210A与光折射元件220之间的距离可实质同于光源210B与光折射元件220之间的距离。光整形元件230设置于光折射元件220上方，以整形由光折射元件220所折射的非同调光而产生结构光SLA、SLB。对于结构光投射器200而言，每一结构光SLA、SLB可被产生为具有多个光学图案，例如光点图案或类似者。光整形元件230可以是二维扇出型(fan out)衍射光学元件(diffractive optical element；DOE)、微透镜阵列、菲涅耳透镜阵列、全像光学元件(holographic optical element；HOE)或是其他整形非同调光成具光学图案的结构光的光学元件。结构光SLA、SLB投射至空间区域S且在空间区域S上重叠。结构光SLA、SLB的光学图案的强度分布可由光整形元件230的轮廓(profile)所调整。
图3A说明性地示出由图2中结构光投射器200所投射的具光点图案DPA的结构光SLA和具光点图案DPB的结构光SLB。如图3A所示，在结构光SLA、SLB的重叠区域内，光点图案DPA分别与光点图案DPB重叠。重叠区亦称为高均匀度投射区，且光点图案DPA、DPB在高均匀度投射区中以一对一方式重叠。图3B、3C亦分别示出图3A中具光点图案DPA的结构光SLA和具光点图案DPB的结构光SLB。如图3A-3C所示，最上列的光点图案DPA未与任一光点图案DPB重叠，且最下列的光点图案DPB未与任一光点图案DPA重叠。在图3A-3C所示的示例性实例中，结构光SLA、SLB在铅直方向上重叠。在其他实施例中，通过适当调整光源210A、210B的位置，结构光SLA、SLB可在水平方向或对角方向上重叠。
在某些实施例中，结构光SLA、SLB的光点图案均为M×N个光点图案。特别地，在结构光SLA、SLB在铅直方向上重叠的情况下，在一些实施例中，结构光SLA的(M-1)×N个光点图案与结构光SLB的(M-1)×N个光点图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数；或者，在另一些实施例中，结构光SLA的(M-i)×N个光点图案与结构光SLB的(M-i)×N个光点图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数，且i为大于1且小于M的整数。在结构光SLA、SLB在水平方向上重叠的情况下，在一些实施例中，结构光SLA的M×(N-1)个光点图案与结构光SLB的M×(N-1)个光点图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数；或者，在另一些实施例中，结构光SLA的M×(N-j)个光点图案和结构光SLB的M×(N-j)个光点图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数，且j为大于1且小于N的整数。
图3A-3C示出的光点图案的重叠区的高均匀度投射可通过从图2中结构光投射器200所衍生的其他结构光投射器达成。图4为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器400的示意图。如图4所示，结构光投射器400包含光源410A、410B、光折射元件420、光图案化元件430和光整形元件440。每一光源410A、410B经配置为发射非同调光，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源、分布反馈式半导体激光源或其他合适的光源。光折射元件420设置于光源410A、410B上方，以朝向光图案化元件430折射自光源410A、410B的非同调光。光折射元件420可以是但不限于准直透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜或菲涅耳透镜。以由光源410A、410B所发射相同的非同调光而言，光源410A与光折射元件420之间的距离可实质同于光源410B与光折射元件420之间的距离。光图案化元件430设置于光折射元件420与光整形元件440之间，以图案化由光折射元件420所折射的非同调光而成衍射光点。光图案化元件430可以是衍射式线形图案产生元件，例如一维扇出型衍射光学元件或其他适于在一方向上产生衍射光点的光学元件。光整形元件440设置于光图案化元件430上方，以整形衍射光图案而产生皆具光点图案的结构光SLA、SLB，并将结构光SLA、SLB投射至空间区域S上。光整形元件440可以是衍射式线形图案产生元件，例如一维扇出型衍射光学元件或其他适于在垂直于光图案化元件430的衍射方向的另一方向上产生衍射光点的光学元件。结构光投射器400的配置亦提供零级(zero-order)消除。
从结构光投射器200衍生以达成图3A-3C的示出内容的其他结构光投射器例示于图5中。图5为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器500的示意图。如图5所示，结构光投射器500包含光源510A、510B、整合衍射光学元件520和光整形元件530。每一光源510A、510B经配置为发射非同调光，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源、分布反馈式半导体激光源或其他合适的光源。整合衍射光学元件520设置于光源510A、510B上方，以朝向光整形元件530折射自光源510A、510B的非同调光和图案化非同调光而成衍射光点。整合衍射光学元件520可以是整合式一维扇出型衍射光学元件，其整合光学透镜和一维扇出型衍射光学元件以在一方向上产生衍射光点。以分别由光源510A、510B所发射相同的非同调光而言，光源510A与整合衍射光学元件520之间的距离可实质同于光源510B与整合衍射光学元件520之间的距离。光整形元件530设置于整合衍射光学元件520上方，以整形衍射光点而产生皆具光点图案的结构光SLA、SLB，并将结构光SLA、SLB投射至空间区域S上。光整形元件530可以是衍射式线形图案产生元件，例如一维扇出型衍射光学元件或其他适于在垂直于整合衍射光学元件520的衍射方向的另一方向上产生衍射光点的光学元件产生的光学元件。
图6为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器600的示意图。如图6所示，结构光投射器600包含光源610A、610B、光折射元件620、光图案化元件630和光整形元件640。每一光源610A、610B经配置为发射非同调光，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源、分布反馈式半导体激光源或其他合适的光源。光折射元件620设置于光源610A、610B之上，以朝向光图案化元件630折射自光源610A、610B的非同调光。光折射元件620可以是但不限于准直透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜或菲涅耳透镜。对于分别由光源610A、610B所发射的非同调光而言，光源610A与光折射元件620之间的距离可实质同于光源610B与光折射元件620之间的距离。光图案化元件630设置于光折射元件620与光整形元件640之间，以图案化由光折射元件620所折射的非同调光为衍射光线形。光图案化元件630可以是衍射式线形图案产生元件，例如线形产生衍射光学元件或其他适于产生衍射光线形的光学元件。光整形元件640设置于光图案化元件630上，以整形衍射光线形而产生结构光SLA、SLB。对于结构光投射器600的配置而言，每一结构光SLA、SLB可被产生为具多个光学图案，例如光线形图案或类似者。光整形元件640可以是二维扇出型衍射光学元件或其他适于整形非同调光成具光学图案的结构光的光学元件。结构光SLA、SLB投射至空间区域S且在空间区域S上重叠。
图7A说明性地示出图6中结构光投射器600所投射的具光线形图案LPA的结构光SLA和具有光线形图案LPB的结构光SLB。如图7A所示，在结构光SLA、SLB的重叠区域中，光线形图案LPA分别与光线形图案LPB重叠。重叠区亦称为高均匀度投射区，且光线形图案LPA、LPB在高均匀度投射区中以一对一方式重叠。图7B、7C亦分别示出图7A中具光线形图案LPA、LPB的结构光SLA、SLB。如图7A-7C所示，最上列的光线形图案LPA不与任一光线形图案LPB重叠，且最下列的光线形图案LPB不与任一光线形图案LPA重叠。在图7A-7C所示的示例性实例中，结构光SLA、SLB在铅直方向上重叠。在其他实施例中，通过适当调整光源610A、610B的相对位置，结构光SLA、SLB可在水平方向或对角方向上重叠。
在某些实施例中，结构光SLA、SLB的光线形图案个数均为M×N个。特别地，在结构光SLA、SLB在铅直方向上重叠的情况下，在一些实施例中，结构光SLA的(M-1)×N个光线形图案与结构光SLB的(M-1)×N个光线形图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数；或者，在另一些实施例中，结构光SLA的(M-i)×N个光线形图案与结构光SLB的(M-i)×N个光线形图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数，且i为大于1且小于M的整数。在结构光SLA、SLB在水平方向上重叠的情况下，在一些实施例中，结构光SLA的M×(N-1)个光线形图案与结构光SLB的M×(N-1)个光线形图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数；或者，在另一些实施例中，结构光SLA的M×(N-j)个光线形图案与结构光SLB的M×(N-j)个光线形图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数，且j为大于1且小于N的整数。
图7A-7C示出的光线形图案的重叠区的高均匀度投射可通过从图6中结构光投射器600所衍生的其他结构光投射器达成。图8为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器800的示意图。如图8所示，结构光投射器800包含光源810A、810B、光折射元件820、光整形元件830和光图案化元件840。每一光源810A、810B经配置为发射非同调光，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源、分布反馈式半导体激光源或其他合适的光源。光折射元件820设置于光源810A、810B上方，以朝向光整形元件830折射自光源810A、810B的非同调光。光折射元件820可以是但不限于准直透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜或菲涅耳透镜。以分别由光源810A、810B所发射相同的非同调光而言，光源810A与光折射元件820之间的距离可实质同于光源810B与光折射元件820之间的距离。光整形元件830设置于光折射元件820与光图案化元件840之间，以整形由光折射元件820所折射的衍射光线形而产生皆具光点图案的结构光SLA、SLB，并将结构光SLA、SLB投射至空间区域S上。光整形元件830可以是二维平铺衍射光学元件、微透镜阵列、菲涅耳透镜阵列、全像光学元件或其他适于整形非同调光而成具光点图案的结构光的光学元件。光图案化元件840设置于光整形元件830的光投射侧上方，以图案化并转换结构光SLA、SLB的光点图案而成光线形图案。光图案化元件840可以是衍射式线形图案产生元件，例如一维扇出型衍射光学元件或其他适于在一方向上产生衍射光点的光学元件。
图9示出依据本发明一或多个实施例的结构光投射器900的示例性设置。如图9所示，结构光投射器900包含光源910A、910B、光折射元件920和光整形元件930。光源910A、910B、光折射元件920和光整形元件930分别相似于图2中结构光投射器200的光源210A、210B、光折射元件220和光整形元件230。特别地，光折射元件920为凸透镜，且光整形元件930为微透镜阵列，其具有排列为阵列的多个微结构930M。在图9中，角度α为tan-1(d/feff)，其中d为光源910A、910B的间距，且feff为光折射元件920的有效焦距。光折射元件920的有效焦距feff实质同于光源910A/910B与光折射元件920之间的距离。结构光SLA的中心与结构光SLB的中心相对于光整形元件930的中心的夹角θ为sin-1(d/feff)。若夹角θ等于角度α，则结构光SLA、SLB的光点图案重叠。光源910A、910B的设置位置可根据上述说明而决定。依据各实施例的光源的设置位置可以相似方式而决定。
图10为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器1000的示意图。如图10所示，结构光投射器1000包含光源1010A-1010D、光折射元件1020和光整形元件1030。光源1010A-1010D可分别设置于假想方形的四个角落。每一光源1010A-1010D经配置为发射非同调光，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源、分布反馈式半导体激光源或其他合适的光源。光折射元件1020设置于光源1010A-1010D上方，以朝向光整形元件1030折射自光源1010A-1010D的非同调光。光折射元件1020可以是但不限于准直透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜或菲涅耳透镜。以分别由光源1010A-1010D所发射相同的非同调光而言，光源1010A与光折射元件1020之间的距离可实质同于光源1010B与光折射元件1020之间的距离，可实质同于光源1010C与光折射元件1020之间的距离，且可实质同于光源1010D与光折射元件1020之间的距离。光整形元件1030设置于光折射元件1020上方，以整形由光折射元件1020所折射的非同调光而产生结构光SLA、SLB。对于结构光投射器1000的配置而言，每一结构光SLA、SLB可被产生为具有多个光学图案，例如光点图案或类似者。光整形元件1030可以是二维扇出型衍射光学元件、微透镜阵列或其他适于整形非同调光成具光学图案的结构光的光学元件。结构光SLA、SLB投射至空间区域S且在空间区域S上重叠。
图11A说明性地示出图10中结构光投射器1000投射的具光点图案DPA的结构光SLA、具光点图案DPB的结构光SLB、具光点图案DPC的结构光SLC和具光点图案DPD的结构光SLD。如图11A所示，在结构光SLA-SLD的重叠区中，光点图案DPA分别与光点图案DPB重叠、分别与光点图案DPC重叠、且分别与光点图案DPD重叠；光点图案DPA在结构光SLA、SLB的重叠区中分别与光点图案DPB重叠，光点图案DPA在结构光SLA、SLB的重叠区中分别与光点图案DPB重叠，光点图案DPA在结构光SLA、SLB的重叠区中分别与光点图案DPB重叠，且光点图案DPA在结构光SLA、SLB的重叠区中分别与光点图案DPB重叠。结构光SLA-SLD的重叠区亦称为高均匀度投射区，且光点图案DPA-DPD以一对一方式重叠。图11B-11E亦分别示出图11A中具光点图案DPA-DPD的结构光SLA-SLD。如图11A-11E所示，最左上侧的光点图案DPA未与任一光点图案DPB-DPD重叠，最右上侧的光点图案DPB未与任一光点图案DPA、DPC、DPD重叠，最左下侧的光点图案DPC未与任一光点图案DPA、DPB、DPD重叠，且最右下侧的光点图案DPD未与任一光点图案DPA、DPB、DPC。在图11A-11E所示的示例性实例中，在两个互为垂直的方向上(例如在铅直和水平方向上)重叠。在其他实施例中，通过适当调整光源1010A-1010D的相对位置，结构光SLA-SLD可在两个互为垂直的对角方向上重叠。
在某些实施例中，结构光SLA的光点图案、结构光SLB的光点图案、结构光SLC的光点图案和结构光SLD的光点图案均为M×N个光点图案。特别地，在结构光SLA-SLD在铅直和水平方向上重叠的情况下，在一些实施例中，结构光SLA的(M-1)×(N-1)个光点图案、结构光SLB的(M-1)×(N-1)个光点图案、结构光SLC的(M-1)×(N-1)个光点图案和结构光SLD的(M-1)×(N-1)个光点图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数；或者，在另一些实施例中，结构光SLA的(M-i)×(N-j)个光点图案、结构光SLB的(M-i)×(N-j)个光点图案、结构光SLC的(M-i)×(N-j)个光点图案和结构光SLD的(M-i)×(N-j)个光点图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数，i为大于1且小于M的整数，且j为大于1且小于N的整数。
图12为依据本发明一或多个实施例的结构光投射器1200的示意图。如图12所示，结构光投射器1200包含光源1210A-1210D、光折射元件1220、光图案化元件1230和光整形元件1240。光源1210A-1210D可分别设置于假想方形的四个角落。每一光源1210A-1210D经配置为发射非同调光，且可以是激光源，例如垂直共振腔面射型激光源、分布反馈式半导体激光源或其他合适的光源。光折射元件1220设置于光源1210A-1210D上方，以朝向光图案化元件1230折射自光源1210A-1210D的非同调光。光折射元件1220可以是但不限于准直透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜或菲涅耳透镜。以分别由光源1210A-1210D所发射相同的非同调光而言，光源1210A与光折射元件1220之间的距离可实质同于光源1210B与光折射元件1220之间的距离，可实质同于光源1210C与光折射元件1220之间的距离，且可实质同于光源1210D与光折射元件1220之间的距离。光图案化元件1230设置于光折射元件1220与光整形元件1240之间，以图案化由光折射元件1220所折射的非同调光而成衍射光线形。光图案化元件1230可以是衍射式光图案产生元件，例如线形产生衍射光学元件或其他适于产生衍射光线形的光学元件。光整形元件1240设置于光图案化元件1230上方，以整形衍射光线形而产生结构光SLA-SLD。对于结构光投射器1200的配置而言，每一结构光SLA-SLD可被产生为具多个光学图案，例如光线形图案或类似者。光整形元件1240可以是二维扇出型衍射光学元件或其他适于整形非同调光成具光学图案的结构光的光学元件。结构光SLA-SLD投射至空间区域S且在空间区域S上重叠。
图13A说明性地示出图12中结构光投射器1200投射的具光线形图案LPA的结构光SLA、具光线形图案LPB的结构光SLB、具光线形图案LPC的结构光SLC和具光线形图案LPD的结构光SLD。如图13A所示，在结构光SLA-SLD的重叠区中，光线形图案LPA分别与光线形图案LPB重叠，分别与光线形图案LPC重叠，且分别与光线形图案LPD重叠；光线形图案LPA在结构光SLA、SLB的重叠区中分别与光线形图案LPB重叠，光线形图案LPA在结构光SLA、SLC的重叠区中分别与光线形图案LPC重叠，光线形图案LPB在结构光SLB、SLD的重叠区中分别与光线形图案LPD重叠，且光线形图案LPC在结构光SLC、SLD的重叠区中分别与光线形图案LPD重叠。结构光SLA-SLD的重叠区亦称为高均匀度投射区，且光线形图案LPA-LPD在高均匀度投射区中以一对一方式重叠。图13B-13E亦分别示出图13A中具光线形图案LPA-LPD的结构光SLA-SLD。如图13A-13E所示，最左上侧的光线形图案LPA未与任一光线形图案LPB-LPD重叠，最右上侧的光线形图案LPB未与任一光线形图案LPA、LPC、LPD重叠，最左下侧的光线形图案LPC未与任一光线形图案LPA、LPB、LPD重叠，且最右下侧的光线形图案LPD未与任一光线形图案LPA-LPC重叠。在图13A-13E所示的示例性实例中，结构光SLA-SLD在两个互为垂直的方向上(例如在铅直和水平方向上)重叠。在其他实施例中，通过适当调整光源1210A-1210D的相对位置，结构光SLA-SLD可在互相垂直的两个对角方向上重叠。
在某些实施例中，结构光SLA的光线形图案、结构光SLB的光线形图案、结构光SLC的光线形图案和结构光SLD的光线形图案均为M×N个光线形图案。特别地，在结构光SLA-SLD在铅直和水平方向上重叠的情况下，在一些实施例中，结构光SLA的(M-1)×(N-1)个光线形图案、结构光SLB的(M-1)×(N-1)个光线形图案、结构光SLC的(M-1)×(N-1)个光线形图案和结构光SLD的(M-1)×(N-1)个光线形图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数；或者，在另一些实施例中，结构光SLA的(M-i)×(N-j)个光线形图案、结构光SLB的(M-i)×(N-j)个光线形图案、结构光SLC的(M-i)×(N-j)个光线形图案和结构光SLD的(M-i)×(N-j)个光线形图案在空间区域S上重叠，其中M、N为大于1的整数，i为大于1且小于M的整数，且j为大于1且小于N的整数。
图14A、14B分别说明性地示出由比较例和图12中结构光投射器1200所投射的具光线形图案的结构光。比较例相似于图1的结构光投射器100，且其投射光线形图案均未重叠。由图14A、14B可知，由结构光投射器1200投射的光线形图案的均匀度显著高于由比较例投射的光线形图案的均匀度。此外，图15A、15B分别说明性地示出由比较例和图10中结构光投射器1000所投射的具光点图案的结构光。比较例相似于图1的结构光投射器100，且其投射的光点图案均未重叠。由图15A、15B可知，由结构光投射器1000投射的光点图案的均匀度显著高于由比较例投射的光点图案的均匀度。
图16为依据本发明一或多个实施例的三维影像感测装置1600的示意图。如图16所示，三维影像感测装置1600包含光源1610、光折射元件1620、光整形元件1630、影像感测器1604和处理器1606。光源1610、光折射元件1620和光整形元件1630可分别相似于图2中结构光投射器200的光源210A、210B、光折射元件220和光整形元件230，且可包含在结构光投射器1602中。换句话说，结构光投射器1602可相似于图2的结构光投射器200。在各实施例中，结构光投射器1602可实施为结构光投射器400、500、600、800、1000、1200或其他相似的结构光投射器。结构光投射器1602经配置为在空间区域S上投射重叠的结构光。影像感测器1604经配置为从空间区域获取对应光学图案的影像。影像感测器1604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-oxidesemiconductor；CMOS)等。处理器1606经配置为对由影像感测器所获取的影像进行运算，以得到与空间区域S相关的三维数据。
虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本公开的构思和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本公开的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种结构光投射器，包含：
一第一光源及一第二光源，经配置为分别发射第一非同调光和第二非同调光；
一光折射元件，设置于该第一光源和该第二光源上方以折射该第一非同调光和该第二非同调光；以及
一光整形元件，设置于该光折射元件上方以整形该第一非同调光而产生具多个第一光学图案的第一结构光并整形该第二非同调光而产生具多个第二光学图案的第二结构光，其中该第一结构光与该第二结构光在一空间区域上重叠。
2.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该第一光源与该光折射元件之间的一距离实质同于该第二光源与该光折射元件之间的一距离。
3.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该第一光源和该第二光源均为垂直共振腔面射型激光源。
4.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该些第一光学图案和该些第二光学图案均为M×N个光点图案，且其中该第一光学图案的(M-1)×N个光点图案与该第二光学图案的(M-1)×N个光点图案在该空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
5.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该光整形元件是一二维扇出型衍射光学元件。
6.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该光整形元件是一微透镜阵列。
7.如权利要求1所述的结构光投射器，还包含：
一光图案化元件，设置于该光折射元件与该光整形元件之间。
8.如权利要求7所述的结构光投射器，其中该光图案化元件是一衍射式线图案产生元件。
9.如权利要求8所述的结构光投射器，其中该些第一光学图案和该些第二光学图案均为M×N个光线形图案，且该些第一光学图案的(M-1)×N个光线形图案与该些第二光学图案的(M-1)×N个光线形图案在该空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
10.如权利要求7所述的结构光投射器，其中该光整形元件和该光图案化元件均为一维扇出型衍射光学元件。
11.如权利要求10所述的结构光投射器，其中该光折射元件与该光图案化元件是一整合式一维扇出型衍射光学元件。
12.如权利要求1所述的结构光投射器，还包含：
一光图案化元件，设置于该光整形元件的一光投射侧上方。
13.如权利要求12所述的结构光投射器，其中该光整形元件是一二维平铺衍射光学元件，且该光图案化元件是一衍射式线图案产生元件。
14.如权利要求1所述的结构光投射器，还包含：
一第三光源，经配置为发射第三非同调光；以及
一第四光源，经配置为发射第四非同调光；
其中该光折射元件亦设置于该第三光源和该第四光源上方，以折射该第三非同调光和该第四非同调光，该光整形元件亦设置为整形该第三非同调光而产生具多个第三光学图案的第三结构光并整形该第四非同调光而产生具多个第四光学图案的第四结构光，且该第一结构光至第四结构光在该空间区域上重叠。
15.如权利要求14所述的结构光投射器，其中该第一光源、该第二光源、该第三光源与该第四光源分别设置于一假想方形的四个角落。
16.如权利要求14所述的结构光投射器，其中该些第一光学图案、该些第二光学图案、该些第三光学图案与该些第四光学图案在两个互为垂直的方向上重叠。
17.如权利要求14所述的结构光投射器，其中该些第一光学图案、该些第二光学图案、该些第三光学图案和该些第四光学图案均为M×N个光点图案，且该第一光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案、该第二光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案、该第三光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案与该第四光学图案的(M-1)×(N-1)个光点图案在该空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
18.如权利要求14所述的结构光投射器，还包含：
一光图案化元件，设置于该光折射元件与该光整形元件之间；
其中该些第一光学图案、该些第二光学图案、该些第三光学图案和该些第四光学图案均为M×N个光线形图案，且该些第一光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案、该些第二光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案、该些第三光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案与该些第四光学图案的(M-1)×(N-1)个光线形图案在该空间区域上重叠，其中M、N为大于1的整数。
19.如权利要求1所述的结构光投射器，其中该光折射元件是一准直透镜。
20.一种三维影像感测装置，包含：
多个光源，经配置为分别发射多个非同调光；
一光折射元件，设置于该些光源上方以折射该些非同调光；
一光整形元件，设置于该光折射元件上以整形该些非同调光而产生多个结构光，其中每一该些结构光具多个光学图案，且该些结构光在一空间区域上重叠；
一影像感测器，经配置为从该空间区域获取一影像；以及
一处理器，经配置为对该影像进行运算以得到与该空间区域相关的三维数据。
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