TW202411763A - 結構光掃描系統與方法及其影像投影機 - Google Patents

結構光掃描系統與方法及其影像投影機 Download PDF

Info

Publication number
TW202411763A
TW202411763A TW112127606A TW112127606A TW202411763A TW 202411763 A TW202411763 A TW 202411763A TW 112127606 A TW112127606 A TW 112127606A TW 112127606 A TW112127606 A TW 112127606A TW 202411763 A TW202411763 A TW 202411763A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
light
light source
structured
scene
image projector
Prior art date
Application number
TW112127606A
Other languages
English (en)
Inventor
呂引棟
郭漢檥
吳世楨
Original Assignee
奇景光電股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 奇景光電股份有限公司 filed Critical 奇景光電股份有限公司
Publication of TW202411763A publication Critical patent/TW202411763A/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3179—Video signal processing therefor
    • H04N9/3185—Geometric adjustment, e.g. keystone or convergence
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3191—Testing thereof
    • H04N9/3194—Testing thereof including sensor feedback

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

一種影像投影機，包含光源，可切換發射不同的光圖案；及光束整形器，用以整形光源發射的光束，因而產生整形光圖案，用以投射至場景中物件。

Description

結構光掃描系統與方法及其影像投影機
本發明係有關一種影像投影機，特別是關於一種具可程式化(programmable)光源的影像投影機，可切換發射不同的光圖案。
影像投影機(簡稱投影機)是一種光學設備，用以將(靜止)影像或一系列影像(或視頻)投射到投影屏幕的表面。
投影機可適用於結構光掃描系統，用以將已知圖案(例如網格或水平條)投射到場景中物件。結構光三維掃描器藉由分析光反射導致的變形，可計算得到場景中物件的深度和表面訊息。
於傳統的結構光掃描系統中，投影機的光源具固定結構，對物件發射相同的光圖案。因此，傳統的結構光掃描系統具有解碼率低且動態範圍窄的缺點，因而無法準確獲得物件的深度和表面訊息。
因此亟需提出一種新穎的機制以克服傳統投影機和結構光掃描系統的諸多缺點。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具可程式化光源的影像投影機，可產生不同的光圖案，藉以獲得較佳的結構光掃描解碼率。
根據本發明實施例，影像投影機包含光源及光束整形器。光源可切換發射不同的光圖案。光束整形器用以整形光源發射的光束，因而產生整形光圖案，用以投射至場景中物件。
根據本發明另一實施例，結構光掃描系統包含光源、控制器及相機。光源用以發射光束，該光源包含雷射陣列，由複數雷射二極體組成。控制器個別程式化開啟或關閉複數雷射二極體，以切換發射不同的光圖案，投射至場景中物件。相機用以擷取反射自場景中物件的反射光圖案，其饋至控制器以決定深度與表面訊息。
根據本發明又一實施例，結構光掃描方法包含下列步驟。提供光源，以切換發射不同的光圖案。光源發射具光圖案的光束至場景中物件。根據反射自場景中物件的反射光圖案的變形，以決定深度與表面訊息。判斷於深度和表面訊息決定步驟中獲得的解碼率是否大於預設臨界值。如果解碼率不大於預設臨界值，則改變光圖案且發射具改變光圖案的光束至場景中物件。
第一圖顯示本發明實施例的影像投影機100的方塊圖。本實施例的影像投影機100可投射影像至場景中物件的表面，可應用於智慧型手機、光學掃描、人臉識別、定向顯示及微型光偵測與測距(LiDAR)，但不限定於此。
本實施例的影像投影機100可包含光源11，用以發射(可見或不可見)光束。在本實施例中，光源11可包含雷射陣列，用以發射雷射光束，其係基於電磁輻射受激發射的光學放大過程(亦即，藉由輻射的受激發射進行光放大)以發射雷射光束。在一實施例中，(光源11的)雷射陣列可包含由半導體雷射二極體陣列組成的垂直腔表面發光雷射(VCSEL)，其中雷射光束從其頂表面垂直發射。
第二圖顯示第一圖的(光源11的)垂直腔表面發光雷射(VCSEL)的示意圖。如第二圖所示，(可程式化)垂直腔表面發光雷射可包含排列為行與列的複數雷射二極體111。根據本實施例的特徵之一，控制器12(例如中央處理單元)可藉由相應信號線112以開啟或關閉個別的雷射二極體111，其中信號線112設於基板110上，基板110用以承載雷射二極體111。藉此，(可程式化)垂直腔表面發光雷射的雷射二極體111可切換發射光以形成不同的光圖案。
第三A圖至第三C圖例示第一圖的光源11的(可程式化)垂直腔表面發光雷射於不同時間發射的(不同)光圖案，其中實心點代表相應雷射二極體111發射光，空心點代表相應雷射二極體111未發射光。第三D圖顯示未使用本實施例的可程式化垂直腔表面發光雷射的光圖案。在這個例子中，垂直腔表面發光雷射的所有雷射二極體同時發光。換句話說，垂直腔表面發光雷射所發射的光圖案為固定的或不可改變的。
回到第一圖，本實施例的影像投影機100可包含光束整形器13，用以整形光源11發射的光束，因而產生整形光圖案，用以投射至場景中物件。
在一實施例中，光束整形器13可包含繞射光學元件(diffractive optical element, DOE)、微透鏡陣列(micro lens array, MLA)或多焦繞射透鏡(multifocal diffractive lens, MDL)，對光源11發射的光束進行整形和分裂，使得單一入射光束同時聚焦於多個地方，藉以產生整形光圖案以投射至場景中物件。第四A圖例示使用繞射光學元件/微透鏡陣列/多焦繞射透鏡對光源11發射的光束直接進行整形。
在一實施例中，光源11和光束整形器13之間沒有設置透鏡，因而形成無透鏡系統。在另一實施例中，影像投影機100可包含至少一透鏡14，設於光源11和光束整形器13之間。其中，透鏡14是透射光學元件，藉由折射以聚焦、准直或發散(來自光源11的)光束。在一實施例中，使用複合透鏡，其包含複數透鏡14且沿著公共軸設置。
在另一實施例中，透鏡14是透射光學元件，藉由折射以聚焦、准直或發散(來自光源11的)光束。在一實施例中，使用菲涅爾(Fresnel)透鏡或超(Meta)透鏡14，但不限定於此。第四B圖例示使用繞射光學元件/微透鏡陣列/多焦繞射透鏡對光源11發射的光束經由透鏡14間接進行整形。
在另一實施例中，光束整形器13可包含液晶(LC)透鏡，對光源11發射的光束進行整形和分裂，以產生整形光圖案以投射至場景中物件。第四C圖例示使用液晶透鏡對光源11發射的光束直接進行整形。
第五圖顯示本發明實施例的結構光掃描系統500的方塊圖。本實施例的結構光掃描系統500可包含第一圖的影像投影機100，其細節不再贅述。
在本實施例中，結構光掃描系統500可包含相機101，用以擷取反射自場景中物件的(整形光圖案的)反射光圖案。擷取的反射光圖案饋至控制器12(例如數位影像處理器)，其根據反射光圖案相對於光源11所產生的光圖案的變形以決定深度與表面訊息。
第六圖顯示本發明實施例的結構光掃描方法600的流程圖。於步驟61，光源11(如實施例中的雷射陣列，例如垂直腔表面發光雷射)發射具(第一或目前)光圖案的光束，其光圖案由控制器12程式化控制。於步驟62，控制器12根據(第一或目前)光圖案相對於光源11發射的(第一)光圖案的變形以決定深度和表面訊息。
接著，於步驟63，控制器12判斷於深度和表面訊息決定步驟(步驟62)中獲得的解碼率是否大於預設臨界值。 如果解碼率不大於預設臨界值，則控制器12改變(或程式化)目前的光圖案(步驟64)，接著流程回到步驟61，其中光源11發射具(第二)改變光圖案(作為目前光圖案)的光束，其係由控制器12程式化控制。繼續上述流程直到解碼率大於預設臨界值。第七A圖至第七C圖例示依序使用於第六圖所示流程的光圖案。
根據上述實施例，(可程式化垂直腔表面發光雷射所產生)不同光圖案可適用於場景中不同物件，或適用於一物件相對於光源11/相機101具有不同的距離。藉此，結構光掃描系統500和方法600可獲得更好的解碼率(以及更準確的深度和表面訊息)，且可以獲得更寬的動態範圍。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100:影像投影機 500:結構光掃描系統 11:光源 12:控制器 13:光束整形器 14:透鏡 101:相機 110:基板 111:雷射二極體 112:信號線 600:結構光掃描方法 61:發射具圖案的光束 62:決定深度 63:判斷解碼率是否大於臨界值 64:改變圖案 DOE:繞射光學元件 MLA:微透鏡陣列 MDL:多焦繞射透鏡
第一圖顯示本發明實施例的影像投影機的方塊圖。 第二圖顯示第一圖的(光源的)垂直腔表面發光雷射(VCSEL)的示意圖。 第三A圖至第三C圖例示第一圖的光源的(可程式化)垂直腔表面發光雷射於不同時間發射的(不同)光圖案。 第三D圖顯示未使用本實施例的可程式化垂直腔表面發光雷射的光圖案。 第四A圖例示使用繞射光學元件/微透鏡陣列/多焦繞射透鏡對光源發射的光束直接進行整形。 第四B圖例示使用繞射光學元件/微透鏡陣列/多焦繞射透鏡對光源發射的光束經由透鏡間接進行整形。 第四C圖例示使用液晶透鏡對光源發射的光束直接進行整形。 第五圖顯示本發明實施例的結構光掃描系統的方塊圖。 第六圖顯示本發明實施例的結構光掃描方法的流程圖。 第七A圖至第七C圖例示依序使用於第六圖所示流程的光圖案。
100:影像投影機
11:光源
12:控制器
13:光束整形器
14:透鏡

Claims (20)

  1. 一種影像投影機，包含： 一光源，可切換發射不同的光圖案；及 一光束整形器，用以整形該光源發射的光束，因而產生整形光圖案，用以投射至場景中物件。
  2. 如請求項1之影像投影機，其中該光源包含雷射陣列，由複數雷射二極體組成，可個別程式化開啟或關閉，以形成不同的光圖案。
  3. 如請求項2之影像投影機，其中該雷射陣列包含垂直腔表面發光雷射。
  4. 如請求項2之影像投影機，更包含一控制器，其個別程式化開啟或關閉該複數雷射二極體。
  5. 如請求項4之影像投影機，其中該雷射陣列包含: 一基板，用以承載該複數雷射二極體；及 複數信號線，藉以讓該控制器開啟或關閉相應的雷射二極體。
  6. 如請求項1之影像投影機，其中該光束整形器包含繞射光學元件、微透鏡陣列或多焦繞射透鏡。
  7. 如請求項1之影像投影機，更包含至少一透鏡，設於該光源和該光束整形器之間。
  8. 如請求項1之影像投影機，其中該光源和該光束整形器之間未設有透鏡。
  9. 一種結構光掃描系統，包含： 一光源，用以發射光束，該光源包含雷射陣列，由複數雷射二極體組成； 一控制器，其個別程式化開啟或關閉該複數雷射二極體，以切換發射不同的光圖案，投射至場景中物件；及 一相機，用以擷取反射自場景中物件的反射光圖案，其饋至該控制器以決定深度與表面訊息。
  10. 如請求項9之結構光掃描系統，其中該雷射陣列包含垂直腔表面發光雷射。
  11. 如請求項9之結構光掃描系統，其中該雷射陣列包含: 一基板，用以承載該複數雷射二極體；及 複數信號線，藉以讓該控制器開啟或關閉相應的雷射二極體。
  12. 如請求項9之結構光掃描系統，更包含： 一光束整形器，用以整形該光源發射的光束，因而產生整形光圖案，用以投射至場景中物件。
  13. 如請求項12之結構光掃描系統，其中該光束整形器包含繞射光學元件、微透鏡陣列或多焦繞射透鏡。
  14. 如請求項12之結構光掃描系統，更包含至少一透鏡，設於該光源和該光束整形器之間。
  15. 如請求項12之結構光掃描系統，其中該光源和該光束整形器之間未設有透鏡。
  16. 一種結構光掃描方法，包含： 提供一光源，以切換發射不同的光圖案； 該光源發射具光圖案的光束至場景中物件； 根據反射自場景中物件的反射光圖案的變形以決定深度與表面訊息； 判斷於深度和表面訊息決定步驟中獲得的解碼率是否大於預設臨界值；及 如果該解碼率不大於預設臨界值，則改變光圖案且發射具改變光圖案的光束至場景中物件。
  17. 如請求項16之結構光掃描方法，其中該光源包含雷射陣列，由複數雷射二極體組成，可個別程式化開啟或關閉，以形成不同的光圖案。
  18. 如請求項17之結構光掃描方法，其中該雷射陣列包含垂直腔表面發光雷射。
  19. 如請求項16之結構光掃描方法，其中該不同光圖案適用於場景中不同物件。
  20. 如請求項16之結構光掃描方法，其中該不同光圖案分別適用於一物件相對於該光源具有不同距離。
TW112127606A 2022-09-01 2023-07-24 結構光掃描系統與方法及其影像投影機 TW202411763A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/901,469 2022-09-01
US17/901,469 US20240077306A1 (en) 2022-09-01 2022-09-01 Structured-light scanning system and method and an image projector thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202411763A true TW202411763A (zh) 2024-03-16

Family

ID=87517228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112127606A TW202411763A (zh) 2022-09-01 2023-07-24 結構光掃描系統與方法及其影像投影機

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240077306A1 (zh)
EP (1) EP4332500A1 (zh)
JP (1) JP2024035101A (zh)
CN (1) CN117631427A (zh)
TW (1) TW202411763A (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10054430B2 (en) * 2011-08-09 2018-08-21 Apple Inc. Overlapping pattern projector
KR102597579B1 (ko) * 2015-10-21 2023-11-01 프린스톤 옵트로닉스, 인크. 코딩된 패턴 투영기
US9992474B2 (en) * 2015-12-26 2018-06-05 Intel Corporation Stereo depth camera using VCSEL with spatially and temporally interleaved patterns
EP3500820A4 (en) * 2016-08-18 2020-04-29 Ramot at Tel-Aviv University Ltd. PROJECTOR OF STRUCTURED LIGHT
US11269193B2 (en) * 2017-11-27 2022-03-08 Liqxtal Technology Inc. Optical sensing device and structured light projector
US20210313764A1 (en) * 2020-04-05 2021-10-07 Apple Inc. Emitter array with uniform brightness

Also Published As

Publication number Publication date
US20240077306A1 (en) 2024-03-07
CN117631427A (zh) 2024-03-01
EP4332500A1 (en) 2024-03-06
JP2024035101A (ja) 2024-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11962748B2 (en) Three dimensional depth mapping using dynamic structured light
US10031588B2 (en) Depth mapping with a head mounted display using stereo cameras and structured light
CN106997603B (zh) 基于vcsel阵列光源的深度相机
US6674893B1 (en) Three-dimensional shape measuring apparatus
US9870068B2 (en) Depth mapping with a head mounted display using stereo cameras and structured light
US9797708B2 (en) Apparatus and method for profiling a depth of a surface of a target object
US10386706B2 (en) Structured-light projector
US10754167B2 (en) Structured-light projector
JP4973009B2 (ja) プロジェクタ及び画像投写方法
US20230019896A1 (en) Illumination device for a distance measurement camera system, a corresponding illumination method and a tof camera system
TW202411763A (zh) 結構光掃描系統與方法及其影像投影機
JP2000009442A (ja) ３次元画像撮影装置
US20220109821A1 (en) Multi-image projector and electronic device having multi-image projector
CN217085782U (zh) 一种结构光三维成像模块及深度相机
JP6626552B1 (ja) マルチ画像プロジェクタ及びマルチ画像プロジェクタを有する電子デバイス
TWI730243B (zh) 結構光投影機
JP2023522717A (ja) コリメータ機能付き回折光学素子
JP2023532676A (ja) 拡散照射及び構造化光用プロジェクタ
KR102103919B1 (ko) 다중 이미지 프로젝터 및 다중 이미지 프로젝터를 구비한 전자 기기
Padullaparthi VCSELs for 3D Sensing and Computer Vision
EP3637044A1 (en) Multi-image projector and electronic device having multi-image projector
JP2003090712A (ja) ３次元画像撮像装置
JP2002107129A (ja) ３次元画像撮像装置および３次元画像撮像方法
KR20140132044A (ko) 영상 획득 장치 및 이의 영상 획득 방법