TWI484222B - 用於投影用於３ｄ成像之經結構化光之低ｚ高度投影系統 - Google Patents

Description

用於投影用於3D成像之經結構化光之低Z高度投影系統

本發明係關於一種投影系統，且更特定而言，係關於一種用於投影用於3D成像之經結構化光之低Z高度投影系統。

近來，被稱為微投影機之使用矽基液晶(LCOS)或數位光處理器(DLP)顯示面板之佔據面積較小之投影機已經可用。微投影機係小的可攜式投影機。歸因於其緊凑型尺寸，一微投影機可被包含在一行動電話中，故該行動電話可將顯示投影至例如牆壁之任何表面上。

一微投影機可包含一小型LCOS顯示面板，其可為透射型或反射型。通常，一微投影機包含一個或多個光源、一分束器、一LCOS顯示面板及一投影透鏡。此外，該微投影機可用於投影用於3D成像之經結構化光。通常，用於3D成像之經結構化光包含一垂直光柵圖案。該垂直光柵圖案被投影至具有一輪廓之一表面上。在一位置(例如，相對於一平坦表面之一突出部或一凹進部)處之輪廓可自在該位置處經投影光柵之變形而計算出。若該表面係平坦的而無一輪廓，則該變形通常係與經投影垂直光柵自其影像之水平偏移有關。

一3D成像系統包含用於投影經結構化光之一投影機，及用於偵測經投影之經結構化光之變形之數位相機。該3D成像系統可進一步包含一電腦或一數位處理器。其通常需要該投影機比較小，以便減小 該3D成像系統之總體大小。除了提供一靜態3D物件之輪廓，該3D成像系統亦可用於手勢識別以控制一電腦、遊戲以及許多其他用處。用於投影經結構化光以進行手勢識別之一小型投影機需求量格外大。

100‧‧‧3D成像系統

102‧‧‧經結構化光投影機

104‧‧‧數位相機

106‧‧‧光柵圖案

108‧‧‧表面

110‧‧‧扭曲邊緣

200‧‧‧垂直光柵圖案

202‧‧‧點擴散函數(PSF)

204‧‧‧PSF沿著z軸之半徑(Rz)

206‧‧‧PSF沿著y軸之半徑(Ry)

300‧‧‧低Z高度LCOS投影系統

304‧‧‧照明光

306‧‧‧分束器

308‧‧‧LCOS顯示面板

310‧‧‧藉由LCOS顯示面板調變之光

312‧‧‧圓形投影透鏡/投影透鏡/截頭圓形投影透鏡

314‧‧‧表面

316‧‧‧經投影光柵圖案

350‧‧‧低Z高度LCOS投影系統

352‧‧‧變形透鏡

402‧‧‧點擴散函數/PSF

404‧‧‧沿著z軸之半徑(Rz)

406‧‧‧沿著y軸之半徑(Ry)

500‧‧‧低Z高度LCOS投影系統

502‧‧‧LCOS顯示面板

504‧‧‧變形透鏡/變形投影透鏡/第一變形透鏡/第一變形投影透鏡

506‧‧‧表面

508‧‧‧光路徑

510‧‧‧垂直發散角α

512‧‧‧分束器

520‧‧‧低Z高度LCOS投影系統

522‧‧‧第二正交變形透鏡/第二變形透鏡

524‧‧‧照明光

526‧‧‧照明光

528‧‧‧經準直光束

600‧‧‧正交變形透鏡

參考以下圖式而描述本發明之非限制及非詳盡性實施例，其中貫穿各個圖，相同之參考數字指相同之部件，除非另有說明。

圖1繪示一3D成像系統之一示意圖。

圖2繪示在x軸上具有一輪廓或厚度之在一y-z面上之一表面之一示意圖。

圖3繪示在具有一輪廓之一表面上經投影光柵圖案之一扭曲邊緣之一示意圖。

圖4繪示根據本發明教示之藉由一LCOS投影系統投影之一垂直光柵圖案之一實例示意圖。

圖5繪示根據本發明教示之用於投影一垂直光柵圖案之一LCOS投影系統之一PSF之一實例示意圖。

圖6繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統之一實例示意x-z面橫截面圖。

圖7繪示根據本發明教示之一投影透鏡之一實例示意y-z面橫截面圖。

圖8(a)繪示根據本發明教示之具有一1：a縱橫比之一實例LCOS顯示面板。

圖8(b)繪示根據本發明教示之具有一1：b縱橫比之一實例所需要之經投影光柵圖案。

圖9繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統之另一實例示意x-z面橫截面圖。

圖10繪示根據本發明教示之用於投影一垂直光柵圖案之一LCOS 投影系統之一PSF之一實例示意圖。

圖11繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統之一實例示意圖。

圖12繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統之一實例示意圖。

圖13(a)繪示根據本發明教示之包含一第一變形透鏡及一第二正交變形透鏡之一經組合正交變形透鏡之一實例示意圖。

圖13(b)繪示根據本發明教示之在x-y面上之圖13(a)之經組合正交變形透鏡之一實例橫截面。

圖13(c)繪示根據本發明教示之在x-z面上之圖13(a)之經組合正交變形透鏡之一實例橫截面。

在以下描述中，陳述許多特定細節以提供對本發明之徹底瞭解。然而，對於一般技術者將顯而易見的是，不需要使用特定細節來實踐本發明。在其他例子中，未詳細描述眾所周知的材料或方法以避免使本發明模糊不清。

貫穿本說明書對「一個實施例」、「一實施例」、「一個實例」或「一實例」之參考意謂結合該實施例或實例描述之一特定特徵、結構或特性係包含在本發明之至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書之各處出現之片語「在一個實施例中」、「在一實施例中」、「一個實例」或「一實例」未必全部指相同的實施例或實例。此外，在一個或多個實施例或實例中，特定特徵、結構或特性可以任何適宜組合及/或次組合進行組合。特定特徵、結構或特性可包含在一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所描述功能性之其他適宜組件中。另外，應瞭解本文中提供之圖式係出於向一般技術者進行解釋之目的，且圖式未必按比例繪製。

根據本發明教示，一低Z高度投影系統可經建構以用於投影用於3D成像之經結構化光。在所繪示之實例中，光軸被稱為x軸及該投影系統之一橫截面被稱為y-z面。由於經投影之經結構化光係一垂直光柵圖案，故其僅在一個方向上(在y軸上)有變化。光柵圖案沿z軸沒有變化。相應地，根據本發明教示，可設計及使用非對稱光學器件。舉例而言，光學系統可包含在z軸上具有一較小透鏡寬度及在y軸上具有一較大透鏡寬度之一截頭圓形透鏡，在本文中其將被稱為低Z高度光學器件。

圖1繪示一3D成像系統100之一示意圖，其包含安置在不同位置之一經結構化光投影機102及一數位相機104。投影機102將經結構化光(其為一光柵圖案106)投影至一表面108上。相機104偵測形成在表面108上之光柵圖案106之影像。

圖2繪示在x軸上具有一輪廓或一厚度之在一y-z面上之表面108之一示意圖。舉例而言，圖2繪示表面108之一元素(y1,z1)具有一厚度x1。類似地，表面108之一元素(y2,z2)具有一厚度x2，等等。

圖3繪示在具有一輪廓之表面108上之一經投影光柵圖案(例如，圖1之經投影光柵圖案106)之一扭曲邊緣110之一示意圖。若表面108係平坦的，則邊緣110將在表面108之元素(y1,z1)之位置處形成。換言之，若在元素(y1,z1)處之厚度x1為零，則經投影光柵圖案106不扭曲。若元素(y1,z1)具有一非零厚度x1，則經投影光柵圖案106扭曲，且元素(y1,z1)之邊緣110水平偏移達一距離Δ1。偏移之方向(即，左邊或右邊)取決於元素(y1,z1)是一突出部或是一凹進部。基於幾何學，厚度x1可由經量測之水平偏移Δ1導出。藉由掃描表面108之全部元素(y1,z1)、(y2,z2)、......，可獲得表面108之輪廓。重要的是，注意一1D光柵圖案對產生一2D表面之一輪廓係足夠的。

圖4繪示根據本發明教示之藉由一LCOS投影系統(未展示)投影之 一垂直光柵圖案200之一實例示意圖。如在描繪之實例中展示，垂直光柵圖案200包含在z軸上延伸之光柵。光柵圖案200可藉由以下各項之一者或一組合來表徵：單色、彩色、二進位、灰階、偏振編碼及相位編碼以及其他。如展示，垂直光柵圖案200在z軸上沒有變化。垂直光柵圖案200僅在y軸上有變化。相應地，投影垂直光柵圖案200之LCOS投影系統之投影光學器件在z軸上相比於y軸需要更低之光學品質。

圖5繪示根據本發明教示之用於投影一垂直光柵圖案200之一LCOS投影系統(未展示)之一點擴散函數(PSF)202之一實例示意圖。如在描繪之實例中展示，PSF 202沿著z軸之半徑(Rz)204大於PSF 202沿著y軸之半徑(Ry)206。因此，z軸上之解析度小於y軸上之解析度。一影像之解析度取決於透鏡之孔徑，即，一較大的孔徑提供較好的解析度，即，一較小的PSF，且反之亦然。PSF 202可對應於在z軸上具有較小孔徑及在y軸上具有較大孔徑之一截頭圓形透鏡。

圖6繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統300之一實例示意x-z面橫截面圖。如圖6描繪之實例中展示，照明光304透過一分束器306照明一LCOS顯示面板308。分束器306使照明光304朝LCOS顯示面板308反射。照明光304可來自一單一光源或來自具有不同波長之多個光源，例如(舉例而言)，雷射、發光二極體(LED)及其他類型之光源。照明光304可經準直。假定LCOS顯示面板308係一反射型，則藉由LCOS顯示面板308調變之光310自LCOS顯示面板308反射且往回行進穿過分束器306及穿過一投影透鏡312。為簡單起見，假定投影透鏡312為一單一透鏡。然而，投影透鏡312可為可包含一透鏡組合之一透鏡系統。如在繪示之實例中展示，投影透鏡312將顯示在LCOS顯示面板308上之一垂直光柵圖案200投影(即，成像)至具有一輪廓之一表面314上。垂直光柵圖案200包括在z軸上延伸之光柵。表面314等效 於圖1之表面108。投影透鏡312為一圓形透鏡，其可將顯示在LCOS顯示面板308上之垂直光柵圖案200成像至具有一輪廓之表面314上。圓形投影透鏡312可為一球面或非球面透鏡。

圖7繪示根據本發明教示之投影透鏡312之一實例示意y-z面橫截面圖。如在繪示之實例中展示，投影透鏡312係沿著z軸具有較小之透鏡寬度Z及沿著y軸具有較大之透鏡寬度Y之一截頭圓形透鏡，其中Z小於Y。相應地，藉由投影透鏡312形成之影像沿著z軸具有較低解析度及沿著y軸具有較高解析度，如由圖5之PSF 202指示。截頭圓形投影透鏡312係用於投影(即，成像)垂直光柵圖案200，其在z軸上需要較小之解析度。截頭圓形投影透鏡312可為一球面或非球面透鏡。

圖8(a)展示根據本發明教示之具有一1：a縱橫比之一實例LCOS顯示面板308。然而，經投影光柵圖案之該1：a縱橫比可能與一相機(例如，圖1之相機104)所需要之縱橫比不匹配。舉例而言，一相機所需要之一經投影光柵圖案316之縱橫比可為1：b，如圖8(b)所示。在一個實例中，根據本發明教示，可使用一變形透鏡以將經投影光柵圖案之縱橫比自1：a調整至1：b。

圖9繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統350之另一實例示意x-z面橫截面圖。應理解，圖9中繪示之實例與圖6中繪示之實例共用許多相似性。一不同處在於圖9中描繪之實例包含用於調整經投影光柵圖案之縱橫比之一額外變形透鏡352。如展示，照明光304透過分束器306照明LCOS顯示面板308。分束器306使照明光304朝LCOS顯示面板308反射。照明光304可來自一單一光源或來自具有不同波長之多個光源，包含雷射、LED及其他類型之光源。照明光304可經準直。假定LCOS顯示面板308係一反射型，則藉由LCOS顯示面板308調變之光310自LCOS顯示面板308反射且行進穿過同一分束器306、穿過截頭圓形投影透鏡312及穿過變形透鏡352至表面314上。截 頭圓形投影透鏡312將顯示在LCOS顯示面板308上之垂直光柵圖案200投影(即，成像)至具有一輪廓之表面314上。在實例中，垂直光柵圖案200包含在z軸上延伸之光柵。變形透鏡352安置在截頭圓形投影透鏡312與表面314之間，且經組態以調整光柵圖案200在z軸上之影像之放大率，但未改變光柵圖案200在y軸上之影像。相應地，根據本發明教示，原始縱橫比1：a可修改為所需要之縱橫比1：b。

暫時返回參考圖5中描繪之實例，PSF 202沿著z軸具有半徑(Rz)204，其比y軸上之半徑(Ry)206大。可進一步將Rz延伸至達到無窮大，同時保持Ry不改變的一值，如圖10中展示。圖10繪示根據本發明教示之用於投影一垂直光柵圖案200之一LCOS投影系統(未展示)之一PSF 402之一實例示意圖。如在實例中展示，沿著z軸之半徑(Rz)404達到無窮大，同時限制沿著y軸之半徑(Ry)406。因此，沿著z軸沒有解析度。PSF 402可對應於僅在y軸上具有光學功率之一變形透鏡。

圖11繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統500之一實例示意圖。如在圖6及圖9之實例圖解說明中展示，LCOS顯示面板308可包含具有如圖8(a)中展示之一縱橫比1：a之一2D像素陣列。相應地，投影透鏡312之Z高度(例如，圖7的Z)可與LCOS顯示面板308之高度匹配。在圖11中繪示之實例中，一LCOS顯示面板502具有例如沿著水平y軸配置之至少(但不限於)一列像素。在y軸上具有光學功率之一變形透鏡504用於在y軸上將LCOS顯示面板502成像至一表面506上，如藉由實例光路徑508展示。LCOS顯示面板502顯示一水平列之點圖案。形成之影像因此係沿著水平y軸之一列點圖案。使用具有一垂直發散角α 510之一發散照明光，該水平列之點圖案可垂直擴展成一垂直光柵圖案。以此方式，變形投影透鏡504之Z高度僅需要與垂直發散角α 510匹配。換言之，Z高度(例如，變形投影透鏡504之z軸上之透鏡寬度)對應於垂直發散角α 510。若LCOS顯示面板係一反射型，則一分 束器512可安置在LCOS顯示面板502與變形投影透鏡504之間。若LCOS顯示器係一透射型，則不包含分束器，且該照明係自LCOS顯示面板502之後面提供。

圖12繪示根據本發明教示之一低Z高度LCOS投影系統520之另一實例示意圖。在圖6及圖9之實例圖解說明中，LCOS顯示面板308可包含具有如圖8(a)中展示之一縱橫比1：a之一2D像素陣列。相應地，投影透鏡312之Z高度(例如圖7之Z)可與LCOS顯示面板308之高度匹配。在圖12繪示之實例中，一LCOS顯示面板502具有例如沿著水平y軸之至少(但不限於)一列像素。用於一反射型LCOS顯示面板502之一照明光524或用於一透射型LCOS顯示面板502之一照明光526可經準直。在被LCOS顯示面板502調變之後之光528亦可經準直。在y軸上具有光學功率之一第一變形透鏡504用於在y軸上將LCOS顯示面板502成像在一表面506上，如藉由例示性光路徑508所展示。LCOS顯示面板502顯示一水平列之點圖案。形成之影像因此係沿著水平y軸之一列點圖案。以此方式，第一變形投影透鏡504之Z高度僅需要與經準直光束528之高度匹配，經準直光束528之高度係藉由LCOS顯示面板502之高度決定。LCOS顯示面板502之高度可與一像素高度一樣小。

使用沿著垂直z軸具有光學功率之一第二正交變形透鏡522，形成的為一水平列之點圖案之影像可垂直擴展成一垂直光柵圖案。如在圖12中描繪的實例中展示，第一變形透鏡504及第二正交變形透鏡522之各自Z高度僅需要與經準直光束528之高度匹配，經準直光束528之高度係藉由LCOS顯示面板502之高度決定。換言之，Z高度(例如第一變形透鏡504及第二正交變形透鏡522之z軸上之各自透鏡寬度)對應於經準直光束528之高度，經準直光束528之高度係藉由LCOS顯示面板502之高度決定。LCOS顯示面板502之高度可與一像素高度一樣小。在表面506上之經投影光柵圖案之縱橫比可藉由控制第一變形透鏡504之放 大率及第二正交變形透鏡522之放大率而調整。

此外，第一變形透鏡504及第二正交變形透鏡522可經組合為具有正交變形表面之一單一透鏡。圖13(a)繪示根據例示性實施例之呈一透視圖之包含一第一變形透鏡504及一第二正交變形透鏡522之一經組合之正交變形透鏡600之一實例示意圖。圖13(b)及圖13(c)分別展示y-x面及z-x面上之經組合之正交變形透鏡600之橫截面。原則上，第一變形透鏡504或第二變形透鏡522可面對LCOS顯示面板502.

儘管在本發明中LCOS顯示面板作為實例描述，但本發明教示並非限於LCOS顯示面板。應理解，可使用任何透射型或反射型顯示面板，包含一液晶(LC)顯示器、一數位光處理器(DLP)、一數位微鏡裝置(DMD)等等，其等效於一LCOS顯示面板。該顯示面板可為單色、彩色、二進位、灰階或偏振編碼。

為簡單起見，在描述中，已將截頭圓形投影透鏡繪示為一單一透鏡。然而，該截頭圓形投影透鏡係可為一單一透鏡或一透鏡組合之一透鏡系統。

此外，對於在本發明中描述之所有變形透鏡，亦可使用具有正或負光學功率之兩種變形透鏡。該等變形透鏡具有所描述之光學功率方向之特徵。

本發明之所繪示實例之以上描述(包含摘要中描述的內容)並不意欲為詳盡或限制於所揭示之精確形式。雖然本文描述本發明之特定實施例及實例以用於繪示之目的，但在不脫離本發明之較寬廣精神及範圍之情況下，各種等效修改係可能的。實際上，應理解，提供特定實例電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等等用於解釋目的，且根據本發明教示，在其他實施例及實例中亦可使用其他值。

300‧‧‧低Z高度LCOS投影系統

304‧‧‧照明光

306‧‧‧分束器

308‧‧‧LCOS顯示面板

310‧‧‧藉由LCOS顯示面板調變之光

312‧‧‧圓形投影透鏡/投影透鏡/截頭圓形投影透鏡

314‧‧‧表面

Claims (18)

1. 一種低Z高度投影系統，其包括：一顯示面板，其用於顯示包含在一第一方向上延伸之光柵之一光柵圖案；及一投影透鏡系統，顯示在該顯示面板上之該光柵圖案經由該投影透鏡系統投影至一表面上，其中該投影透鏡系統係在該第一方向上具有一第一透鏡寬度及在一第二方向上具有一第二透鏡寬度之一截頭圓形透鏡系統，其中該第一透鏡寬度小於該第二透鏡寬度，且其中該等第一及第二方向係正交的。
2. 如請求項1之系統，其進一步包括在該第一方向上具有光學功率之一變形透鏡，顯示在該顯示面板上之該光柵圖案經由該變形透鏡投影以調整該經投影光柵圖案之一縱橫比。
3. 如請求項1之系統，其進一步包括安置在該顯示面板與該投影透鏡系統之間之一分束器。
4. 如請求項1之系統，其中該顯示面板係矽基液晶(LCOS)、液晶(LC)、數位光處理器(DLP)、及數位微鏡裝置(DMD)顯示面板之一者。
5. 如請求項1之系統，其中該投影透鏡系統包含至少一個透鏡。
6. 一種低Z高度投影系統，其包括：一顯示面板，其具有沿著一第一方向配置之至少一列像素；及一第一變形透鏡，其在該第一方向上具有光學功率以使沿著該顯示面板之該第一方向配置之該至少一列像素成像至一表面上。
7. 如請求項6之系統，其進一步包括在一第二方向上具有一發散角 α之一發散照明光，其中該等第一及第二方向係正交的，其中該第一變形透鏡在該第二方向上之一高度對應於在該第二方向上之該發散角α。
8. 如請求項6之系統，其進一步包括：一經準直之照明光；及一第二變形透鏡，其在一第二方向上具有光學功率以在該第二方向上擴展該表面上之沿著該第一方向配置之該至少一列像素之每一像素之影像，其中該等第一及第二方向係正交的。
9. 如請求項8之系統，其中該第一變形透鏡在該第二方向上之一高度及該第二變形透鏡在該第二方向上之一高度對應於該經準直之照明光之一高度。
10. 如請求項9之系統，其中該經準直之照明光之該高度係沿該第一方向配置之該至少一列像素之一像素之一高度。
11. 如請求項6之系統，其進一步包括安置在該顯示面板與該第一變形透鏡之間之一分束器。
12. 如請求項8之系統，其中該第一變形透鏡及該第二變形透鏡經組合為具有正交變形表面之一單一透鏡。
13. 如請求項6之系統，其中該顯示面板係矽基液晶(LCOS)、液晶(LC)、數位光處理器(DLP)、及數位微鏡裝置(DMD)顯示面板之一者。
14. 一種用於投影一光柵圖案之方法，其包括：在一顯示面板上顯示該光柵圖案，其中該光柵圖案包含在一第一方向上延伸之光柵；及使用在該第一方向上具有一第一透鏡寬度及在一第二方向上具有一第二透鏡寬度之一截頭圓形透鏡系統來投影包含在該第一方向上延伸之光柵之該光柵圖案，其中該第一透鏡寬度小於 該第二透鏡寬度，其中該等第一及第二方向係正交的，且其中該截頭圓形透鏡系統在該第一方向上之一解析度小於該截頭圓形透鏡系統在該第二方向上之一解析度。
15. 如請求項14之方法，其進一步包括使用在該第一方向上具有光學功率之一變形透鏡而調整包含在該第一方向上延伸之光柵之該經投影光柵圖案之一縱橫比。
16. 一種用於形成一光柵圖案之方法，其包括：在具有沿著一第一方向配置之至少一列像素之一顯示面板上顯示一列點圖案；及使用在該第一方向上具有光學功率之一第一變形透鏡而使顯示在具有沿著該第一方向配置之至少一列像素之該顯示面板上之該列點圖案成像。
17. 如請求項16之方法，其進一步包括：使用在一第二方向上具有光學功率之一第二變形透鏡而在該第二方向上擴展該列點圖案之該影像以形成包括在該第二方向上延伸之光柵之一光柵圖案，其中該等第一及第二方向係正交的。
18. 如請求項17之方法，其中該第一變形透鏡及該第二變形透鏡經組合為具有正交變形表面之一單一透鏡。