TW201709717A - 攝像與照明裝置 - Google Patents

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Abstract

一種攝像與照明裝置，其包括具有變焦功能的多個攝像模組，以及和該些攝像模組中至少之一有關的一照明用的發光模組，其中該發光模組亦具有變焦功能或多功能組態。上述多個變焦功能或功能組態受控於相關的控制信號，使得對應的攝像模組和發光模組被連動操作以最佳化能量或電功率之使用。

Description

攝像與照明裝置
本發明係關於一種攝像與照明用之發光裝置，特別是一種整合三維影像攝像和相因應之輔助照明裝置。
現代的電子裝置，例如智慧手機、智慧手錶或攝像裝置，往往需要植入新功能，如手勢控制、體感互動或3D或影像提取品質提升等等。在整合多種功能時，又必須兼顧整體體積的縮小。此外，整合多種功能的電子裝置，除了便於攜帶移動外，操作所需的電力也是考量因素之一，耗能過多等等的模式均不利於使用者而不易獲得青睞。再者，這些新功能裡往往需要相對應的照明裝置，其照明範圍需涵蓋動作區域或攝像範圍，使用情境變動則相對應的動作區域亦隨之改變。在此同時，若照明區域不隨之調整，恐造成影像提取品質下降(如照明區域過小)或電力浪費(如照明區域過大)。此外，各個裝置如獨立操作，運作方式對使用者而言恐過於複雜，亦易構成使用者使用上的障礙與不便，故宜避免之。簡之，在同時追求光學效能的提昇外，功耗與使用者便利性均為系統開發的要考慮的項目。
為了解決上述使用情境改變所造成的動作區域調整造成的品質變異與功耗問題，本案提供一種攝像與照明裝置，其整合一般彩色攝像機(RGB camera)、三維影像偵測攝像機和其所需發光模組，並且連動操作一般彩色攝像機、三維影像偵測攝像機和其所需輔助照明發光模組以方便使用者操作。
又，本案提供一種攝像與照明裝置，透過連動操作多個攝像部件和發光模組的光學部件，可使得對應的光學效能因時因地而有所提昇。
又，本案提供一種攝像與照明裝置，其包括可連動操作的多個攝像部件和其所需發光模組，攝像部件的可視範圍可被同步調整以達能量與電功率使用的最佳化之效。
又，本案提供一種攝像與照明裝置，其整合一般彩色攝像機、三維影像偵測攝像機，例如深度攝像機(depth camera)或時差測距攝像機(time of flight camera,TOF camera)和其所需發光模組，利用繞射元件透鏡縮小整體體積，適用於攜帶移動式裝置或穿戴裝置。
依據上述，一種攝像與照明裝置，包括：具有一第一變焦功能的一第一攝像模組；具有一第二變焦功能的一第二攝像模組；以及具有一第三變焦功能的一發光模組，其中，該第一變焦功能、該第二變焦功能和該第三變焦功能是相互關聯以連動操作該第一攝像模組、該第二攝像模組和該發光模組。
較佳地，該第二攝像模組包括一時差測距(time-of-flight)二維或三維感測器，並且該發光模組包括一同調(coherent)光源；或一部分同調光源(partial coherent)光源；或一同調光源和一非同調光源。
較佳地，該同調光源包括一雷射或一雷射二極體。
較佳地，該非同調光源包括一發光二極體或一有機發光二極體。
較佳地，包括該部分同調光源的該發光模組更包括一雷射與一去同調(de-coherence)部件。
較佳地，該第一攝像模組、該第二攝像模組和該發光模組三者分別包括一透鏡組，該透鏡組包括：複數個繞射光學元件透鏡；或一繞射光學元件透鏡和一折射透鏡；或複數個折射透鏡；或一繞射光學元件透鏡和一反射透鏡；或一繞射光學元件透鏡、一折射透鏡和一反射透鏡；或一折射透鏡和 一反射透鏡；或複數個反射透鏡。
較佳地，該第一攝像模組的該透鏡組被連動操作以變動該第一攝像模組的一第一可視範圍；該第二攝像模組的該透鏡組被連動操作以變動該第二攝像模組的一第二可視範圍；以及該發光模組的該透鏡組被連動操作以變動該發光模組的一光束擴散角。
較佳地，該第一可視範圍或該第二可視範圍的一全張角大小為20度、60度、90度或120度。
較佳地，該第二攝像模組包括一深度攝像機(depth camera)或是感應一第一波長的一攝像機，並且該發光模組提供一結構光樣式(structured lighting pattern)。
較佳地，該第一可視範圍和該第二可視範圍涵蓋一場景，該結構光樣式被以補綴的模式操作掃描該場景。
較佳地，該第一攝像模組包括一第一電源，該第一攝像模組被連動操作以開啟或關閉該第一電源；該第二攝像模組包括一第二電源，該第二攝像模組被連動操作以開啟或關閉該第二電源；以及該發光模組包括一透鏡組，該透鏡組被連動操作以變動該發光模組的一光束擴散角。
較佳地，該第一電源和該第二電源同時開啟、同時關閉、依序開啟、依序關閉或相互切換開啟和關閉。
依據上述，一種攝像與照明裝置，其包括具有變焦功能的多個攝像模組，以及和該些攝像模組中至少之一有關的一照明用的發光模組，其中該發光模組亦具有變焦功能或多功能組態。上述多個變焦功能或功能組態受控於相關的控制信號，使得對應的攝像模組和發光模組被連動操作以最佳化能量或電功率之使用。
1‧‧‧手持裝置
11‧‧‧表面
12‧‧‧第一攝像模組
14‧‧‧第二攝像模組
16‧‧‧發光模組
121‧‧‧線
141‧‧‧線
161‧‧‧線
5‧‧‧場景
18‧‧‧微控制單元
182‧‧‧應用處理器
122‧‧‧第一變焦次模組
126‧‧‧第一電源次模組
142‧‧‧第二變焦次模組
144‧‧‧感應次模組
146‧‧‧第二電源次模組
162‧‧‧第三變焦次模組
164‧‧‧光源次模組
166‧‧‧第三電源次模組
181‧‧‧控制信號
183‧‧‧控制信號
185‧‧‧控制信號
2‧‧‧手持裝置
21‧‧‧表面
22‧‧‧第一攝像模組
24‧‧‧第二攝像模組
26‧‧‧發光模組
244‧‧‧感應次模組
32‧‧‧折射透鏡
34‧‧‧折射透鏡
36‧‧‧折射透鏡
7‧‧‧主光軸
6‧‧‧成像平面
42‧‧‧繞射光學元件透鏡
44‧‧‧繞射光學元件透鏡
46‧‧‧繞射光學元件透鏡
54‧‧‧繞射光學元件透鏡
62‧‧‧繞射光學元件透鏡
64‧‧‧繞射光學元件透鏡
圖1為本案之攝像與照明裝置應用於一手持裝置的側視立體示意 圖。
圖2為本案之攝像與照明裝置的視角範圍的立體示意圖。
圖3為本案之攝像與照明裝置應用於一手持裝置的系統方塊示意圖。
圖4為本案之另一攝像與照明裝置應用於一手持裝置的側視立體示意圖。
圖5為本案之攝像與照明裝置的變焦次模組第一實施例示意圖。
圖6為本案之攝像與照明裝置的變焦次模組第二實施例示意圖。
圖7為本案之攝像與照明裝置的部分變焦次模組第三實施例示意圖。
圖8為本案之攝像與照明裝置的部分變焦次模組第四實施例示意圖。
以下所稱的變焦功能(zooming function)，可以是指光學性質上的，例如可視範圍的縮小(zoom-out)或放大(zoom-in)，也可以是其他性質的變大或變小，例如電流變大或變小。其次，關聯的變焦功能意謂運作多個變焦功能是基於同一或相依的控制指示。
以下所稱的達到連動(joint movement)或共軛式連動(conjugate movement)之效能或被連動或被共軛式連動操作，主要但不限地，意謂多個受控模組或受控次模組於接收相關的控制信號後，分別有一部分部件或元件的移動或狀態改變，進而成就變動受控模組或受控次模組的一狀態、一性質(property)或操作模式(operation type)。上述之狀態，舉例但不限地，例如電源關閉或開啟；上述之性質，舉例但不限地，可視範圍放大或縮小比例、光束擴散角；操作模式則例如同步、間歇或補綴地掃描等等。
以下所稱的電源次模組，主要但不限地，包括一電源以及其相關的 控制電路，該對應的控制電路接收控制信號後，可與其他電源次模組同步或依一定的時序開啟、關閉、或切換其對應的電源。其次，任一電源可提供交流或直流電流。
圖1為本案之攝像與照明裝置應用於一手持裝置的側視立體示意圖。參照圖1，包括一第一攝像模組12、一第二攝像模組14和一發光模組16的本案之攝像與照明裝置設置於一手持裝置1的一表面11上。於一實施例中，第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16彼此相鄰地位於11上的適當位置，但本案不限於此種安排方式。圖2為本案之攝像與照明裝置的視角範圍的立體示意圖。第一攝像模組12的一第一可視範圍(field of view)由四條線121表示，第二攝像模組14的一第二可視範圍由四條線141表示，而發光模組16具有由四條線161所表示的一光束擴散角。於此實施例中，第一攝像模組12的第一可視範圍、第二攝像模組14的第二可視範圍和發光模組16的光束擴散角涵蓋了同一場景5(scene)。本案的特徵之一是，第一攝像模組12的第一可視範圍、第二攝像模組14的第二可視範圍和發光模組16的光束擴散角可以同時或依序地變動後涵蓋完全或接近完全重疊的場景場景5。於本案中，以全張角15(diagonal field of view)來表示第一攝像模組12的第一可視範圍和第二攝像模組14的第二可視範圍，全張角15可以是20度、60度、90度或120度或其他值。
圖3為本案之攝像與照明裝置應用於一手持裝置的系統方塊示意圖。參照圖3，第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16電連接(electrically coupled)到手持裝置1的微控制單元18(microcontroller unit,MCU)，並與微控制單元18中的一應用處理器182(application processor,AP)溝通(communicate)。可以理解的，應用處理器182亦可獨立於微控制單元18之外，此時第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16直接和應用處理器182溝通。其次，第一攝像模組12包括一第 一變焦次模組122(zooming sub module)和一第一電源次模組126(power sub module)；第二攝像模組14包括一第二變焦次模組142、一感應次模組144(sensing sub module)和一第二電源次模組146；發光模組16則包括一第三變焦次模組162、一光源次模組164和一第三電源次模組166。
於一實施例中，第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162分別由一或多個透鏡組成，並且可因應應用處理器182輸出的控制信號移動一或多個透鏡，使得第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16分別具有變焦功能。於本案中，應用處理器182產生關聯的控制信號181、控制信號183和控制信號185來控制第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162，使得第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162產生連動。是以，因為第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162的存在與連動，使得第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16具有變焦功能並成就一連動之效能，此連動之效能可例如前述之圖2：第一攝像模組12的第一可視範圍、第二攝像模組14的第二可視範圍和發光模組16的光束擴散角範圍涵蓋完全或接近完全重疊的場景5。
除了第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162，關聯的控制信號181、控制信號183和控制信號185亦可控制第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16內的其他次模組，即在第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16中產生連動的次模組不限於第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162，故連動的效能不限於可視範圍的變動或光束擴散角的變動。舉例來說，控制信號181控制第一攝像模組12的第一電源次模組126的開啟、關閉或切換。同時或依序地，控制信號183控制第二攝像模組14的第二電源次模組146的開 啟、關閉或切換；控制信號185控制發光模組16的第三電源次模組166的開啟、關閉或切換，或是第三變焦次模組162的透鏡變動以擴大或縮小光束擴散角。要說明的，控制信號181、控制信號183和控制信號185驅動第一攝像模組12、第二攝像模組14和發光模組16的連動亦非僅產生一種連動效能。以第一攝像模組12為例，控制信號181被第一攝像模組12接收來控制第一變焦次模組122或第一電源次模組126外，亦可以同時或依序控制第一變焦次模組122和第一電源次模組126，即控制信號181驅動第一攝像模組12內部兩個以上的次模組產生變動；此同時或依序地，關聯的控制信號183同時或依序驅動第二攝像模組14內部一或多個次模組的變動，並且關聯的控制信號185同時或依序驅動發光模組16內部一或多個次模組的變動。
續參考圖3，第一攝像模組12基本上為一可見光攝像組件，即接收第一可視範圍中的反射、折射或繞射可見光，例如一般彩色的(如RGB)攝像部件(RGB camera member)。故除了第一變焦次模組122和第一電源次模組126之外，第一攝像模組12尚具有一般可見光攝像組件的其他元件(圖上未繪)，例如感光耦合元件(Charge-coupled device,CCD)或互補金氧半導體感應器(CMOS sensor)，於此不贅述。
再者，光源次模組164發出光束，並且由光源次模組164發出的光束經過反射、折射或繞射後可被第二攝像模組14接收。於一實施例中，光源次模組164包括發出一或多特定波長的一同調光源，例如脈衝波形式的雷射或雷射二極體。可選擇地，光源次模組164亦可包括發出一或多特定波長的一非同調光源，例如一發光二極體或一有機發光二極體。不限地，光源次模組164亦可包括發出一部分同調光光源，例如光源次模組164中包括一雷射以及相位調變(phase modulation)或混合的一去同調部件(de-coherence member)。另外，光源次模組164發出的光束可以是一 線光(linear light)或是據有特定樣式的一結構光(structured lighting pattern)，發光模組16可透過第三變焦次模組162來變動線光或結構光的光束擴散角的大小或被操作的模式。所謂的第三變焦次模組162的被操作的模式，舉例來說，控制信號185使得第三變焦次模組162產生連動；進而，光源次模組164依據第三變焦次模組162的連動或共軛式連動，以補綴方式(patched way)掃描對應的可視範圍(與控制信號185關聯的控制信號183控制第二變焦次模組142後所調整的可視範圍)，但本案不限於此。
要說明的是，本案之攝像與照明裝置中的第一攝像模組12，基本上沒有接收源自(derived from)發光模組16的光束，而是由第二攝像模組14接收與發光模組16發出的光束相關的反射光、折射光或繞射光。是以，第二攝像模組14可以是接收特定波長(第一波長)的攝像部件，例如紅外線攝像機(IR camera)，其配備感測紅外線波長的感測器；因此，感應次模組144可為一感測紅外線波長的感測器。可選擇地，第二攝像模組14可以是可比較發光模組16發出(emit)之光束和入射物體後被物體反射後的反射光的攝像部件，例如一時差測距攝像機(time-of-flight camera)，則感應次模組144可為一時差測距二維或三維感測器。又舉例地，第二攝像模組14為一深度攝像機(depth camera)，則感應次模組144可為一光偵測器(photo detector)。
承上所述，第二攝像模組14的樣式可配合發光模組16發出的光束以達到偵測發光模組16發出的光束之效，如圖4所示，在手持裝置2的表面21上暴露了第一攝像模組22、第二攝像模組24和發光模組26外，第二攝像模組24的感應次模組244亦被暴露於外，如此的設計和安排模組的位置的方式亦不脫離本案的攝像與照明裝置的應用方式。
圖5為本案之攝像與照明裝置的變焦次模組第一實施例示意圖。參照圖5，第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162 可分別包括一具有三片折射透鏡32、折射透鏡34和折射透鏡36的三透鏡組(triplet lens module)，即為一種由折射光學態樣透鏡(refractive-optical lens module)構成的三透鏡組。於此實施例中，折射透鏡32、折射透鏡34和折射透鏡36沿著主光軸7設置，折射透鏡32、折射透鏡34和折射透鏡36可分別為平凸、雙凸、雙凹、平凹、凸凹等樣式的透鏡；於本案中，折射透鏡32、折射透鏡34和折射透鏡36的搭配可使得第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162具有相同的有效焦距長度(effective focal length)，即第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162可使光線成像於相同的一成像平面6上。當第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162接收到來自應用處理器的控制信號時，各自的折射透鏡32、折射透鏡34和折射透鏡36可在主光軸7方向上移動以達到一致的連動效能：相同的場景大小和位置。
可以選擇的，請參考圖6，第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162可分別包括一具有三片繞射光學元件透鏡42(diffractive optical element lens,DOE lens)、繞射光學元件透鏡44和繞射光學元件透鏡46，即為一種由繞射光學態樣透鏡(diffractive-optical lens module)構成的三透鏡組，其中，繞射光學元件可透過適當的方式，例如鍍膜、顯影、曝光、蝕刻等方式，形成於一透鏡的表面上。要說明的是，繞射光學元件亦可僅形成於三片透鏡之一者，其作用是使通過透鏡組的光形成特定的樣式，例如結構光樣式。
第二變焦次模組142和第三變焦次模組162亦可以是魚眼態樣的透鏡組，請參考圖7，透過凸輪曲線(cam curve)和數值表的設計，可將一繞射光學元件透鏡54放置於魚眼透鏡組中適當的位置。可以理解的，繞射光學元件透鏡可以是一或多個，如圖8所示，繞射光學元件透鏡62、64放置 於一變焦透鏡組中適當的位置，如此亦可成為第二變焦次模組142和第三變焦次模組162。可以理解的，如第一攝像模組12一般的彩色(RGB)攝像機亦可配備適當的魚眼透鏡組、廣角透鏡組或變焦透鏡組，此部分為此領域人士所知，於此不贅述。
是以，第一變焦次模組122、第二變焦次模組142和第三變焦次模組162分別所包括的透鏡組中透鏡組合，舉例但不限地，可以是複數個繞射光學元件透鏡、複數個折射透鏡、複數個反射透鏡、至少一繞射光學元件透鏡和至少一折射透鏡、至少一折射透鏡和一反射透鏡、至少一繞射光學元件透鏡和至少一反射透鏡、或至少一繞射光學元件透鏡和一折射透鏡和一反射透鏡的組合。
依據上述，本案的攝像與照明裝置，利用繞射光學元件透鏡節省攝像模組的體積大小。其次，攝像模組和發光模組皆具有各自的變焦功能，利用關聯的控制信號使得它們連動或共軛連動，達到一起變動性質或狀態之效，使得能源的運用達到最佳化，適用於攜帶式電子裝置、移動式電子裝置或穿戴式電子裝置。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本發明的範圍內。
1‧‧‧手持裝置
12‧‧‧第一攝像模組
14‧‧‧第二攝像模組
16‧‧‧發光模組
18‧‧‧微控制單元
182‧‧‧應用處理器
122‧‧‧第一變焦次模組
126‧‧‧第一電源次模組
142‧‧‧第二變焦次模組
144‧‧‧感應次模組
146‧‧‧第二電源次模組
162‧‧‧第三變焦次模組
164‧‧‧光源次模組
166‧‧‧第三電源次模組
181‧‧‧控制信號
183‧‧‧控制信號
185‧‧‧控制信號

Claims (15)

  1. 一種攝像與照明裝置，包括：具有一第一變焦功能的一第一攝像模組；具有一第二變焦功能的一第二攝像模組；以及具有一第三變焦功能的一發光模組，其中，該第一變焦功能、該第二變焦功能和該第三變焦功能是相互關聯以連動操作該第一攝像模組、該第二攝像模組和該發光模組。
  2. 如請求項1所述的攝像與照明裝置，其中，該第二攝像模組包括一時差測距(tme-of-flight)二維或三維感測器，並且該發光模組包括：一同調(coherent)光源；或一部分同調光源(partial coherent)光源；或一同調光源和一非同調光源。
  3. 如請求項2所述的攝像與照明裝置，其中，該同調光源包括一雷射或一雷射二極體。
  4. 如請求項2所述的攝像與照明裝置，其中，該非同調光源包括一發光二極體或一有機發光二極體。
  5. 如請求項2所述的攝像與照明裝置，其中，包括該部分同調光源的該發光模組更包括一雷射與一去同調(de-coherence)部件。
  6. 如請求項1所述的攝像與照明裝置，其中，該第一攝像模組、該第二攝像模組和該發光模組三者分別包括一透鏡組，該透鏡組包括：複數個繞射光學元件透鏡；或一繞射光學元件透鏡和一折射透鏡；或複數個折射透鏡；或一繞射光學元件透鏡和一反射透鏡；或一繞射光學元件透鏡、一折射透鏡和一反射透鏡；或一折射透鏡和一反射透鏡；或複數個反射透鏡。
  7. 如請求項6所述的攝像，其中，該第一攝像模組的該透鏡組被連動操作以變動該第一攝像模組的一第一可視範圍；該第二攝像模組的該透鏡組被連動操作以變動該第二攝像模組的一第二可視範圍；以及該發光模組的該透鏡組被連動操作以變動該發光模組的一光束擴散角。
  8. 如請求項7所述的攝像與照明裝置，其中，該第一可視範圍或該第二可視範圍的一全張角大小為20度、60度、90度或120度。
  9. 如請求項1所述的攝像與照明裝置，其中，該第二攝像模組包括一深度攝像機(depth camera)或是感應一第一波長的一攝像機，並且該發光模組提供一結構光樣式(structured lighting pattern)。
  10. 如請求項9所述的攝像與照明裝置，其中，該第一攝像模組、該第二攝像模組和該發光模組三者分別包括一透鏡組，該透鏡組包括：複數個繞射光學元件透鏡；或一繞射光學元件透鏡和一折射光學透鏡；或複數個折射透鏡；或一繞射光學元件透鏡和一反射透鏡；或一繞射光學元件透鏡、一折射透鏡和一反射透鏡；或一折射透鏡和一反射透鏡；或複數個反射透鏡。
  11. 如請求項10所述的攝像與照明裝置，其中，該第一攝像模組的該透鏡組被連動操作以變動該第一攝像模組的一第一可視範圍；該第二攝像模組的該透鏡組被連動操作以變動該第二攝像模組的一第二可視範圍；以及該發光模組的該透鏡組被連動操作以變動該發光模組的該結構光樣式的一光束擴散角。
  12. 如請求項11所述的攝像與照明裝置，其中，該第一可視範圍和該第二可視範圍涵蓋一場景，且該第一可視範圍或該第二可視範圍的一全張角大小為20度、60度、90度或120度。
  13. 如請求項12所述的攝像與照明裝置，其中，該結構光樣式被以補綴的模式操作掃描該場景。
  14. 如請求項1所述的攝像與照明裝置，其中，該第一攝像模組包括一第一電源，該第一攝像模組被連動操作以開啟或關閉該第一電源；該第二攝像模組包括一第二電源，該第二攝像模組被連動操作以開啟或關閉該第二電源；以及該發光模組包括一透鏡組，該透鏡組被連動操作以變動該發光模組的一光束擴散角。
  15. 如請求項14所述的攝像與照明裝置，其中，該第一電源和該第二電源同時開啟、同時關閉、依序開啟、依序關閉或相互切換開啟和關閉。
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