TWI558982B - 光學感測器及光學感測系統 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種光學感測器,更特別有關一種可應用於距離量測或是手勢辨識上的光學感測器及光學感測系統。
一般來說,距離量測系統(Distance measurement system,DMS)通常會使用光源,並利用光源之光束被物體反射回來的能量來計算物體的距離。傳統上,可使用三角定位的方式,或是飛行時間(Time of flight,TOF)的技術方案來計算距離,然而採用上述方式所花費的成本與系統的尺寸相對來說都會較高。
另外,手勢(gesture)辨識的開發基礎通常可使用3D影像先消除背景影像以取出前景物件影像,其中這樣的技術會使用到兩顆影像感測器,如此一來,手勢辨識模組的尺寸與成本同樣地便無法有效地獲得縮減。
基於上述,本發明說明主要是利用相位偵測(phase detection)的技術取得3D影像,而且無需額外打光(上述飛行時間法需要打光),且本發明說明之技術方案可只使用單顆影像感測器,便可達到偵測距離及手勢辨識之應用。
有鑑於此,本發明說明提出一種光學感測器及光學感測系統,其具有低成本及尺寸小之優點。
本發明說明提供一種光學感測器,包含至少兩個以上的光感測像素以及至少兩個以上不同的光柵元件。該等光柵元件位於該等光感測像素的上方且各自相對應於該等光感測像素。
本發明說明另提供一種光學感測系統,包含兩光感測像
素、兩光柵元件以及一處理器。該兩光柵元件彼此間具有一相位差並分別相對於該兩光感測像素。該處理器用以根據該兩光感測像素感測之光強度信號判斷入射光角度。
本發明說明另提供一種光學感測器,包含兩光感測像素、兩光柵元件以及一處理器。該兩光柵元件彼此間具有一相位差並分別相對於該兩光感測像素。該處理器用以根據該兩光感測像素感測之兩光強度信號計算至少一光強度參數。
在本發明說明之一實施例中,光學感測器更包括一透鏡,其中光柵元件位於透鏡與光感測像素之間。
在本發明說明之一實施例中,每一光柵元件至少由兩層金屬層所構成。
在本發明說明之一實施例中,光學感測器更包括一濾光元件,其中該些光柵元件位於該濾光元件與該些光感測像素之間。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯,下文將配合所附圖示,詳細說明如下。此外,於本發明之說明中,相同之構件係以相同之符號表示,於此先述明。
100‧‧‧光學感測器
200a~200c‧‧‧光學感測器
112a~112d‧‧‧光感測像素
122a~122d‧‧‧光柵元件
L1‧‧‧光束
O1‧‧‧物體
L101、L102‧‧‧曲線
130‧‧‧濾光元件
140‧‧‧透鏡
150‧‧‧處理器
IA1~IA3、IB1~IB3‧‧‧光強度
ΦA1~ΦA3‧‧‧入射角度
ΦB1~ΦB3‧‧‧入射角度
H1~H3‧‧‧高度
M1、M2‧‧‧金屬層
w1‧‧‧間隔
d1‧‧‧間距
圖1為本發明說明一實施例之光學感測器的示意圖。
圖2則為不同角度之光線經過不同相位差的光柵元件的光強度變化之示意圖。
圖3A~圖3D分別為圖1之光柵元件實施態樣的示意圖。
圖4A~圖4C分別為不同光學感測器所使用之光柵元件的上視圖。
圖1為本發明說明一實施例之光學感測器的示意圖,而圖2則為不同角度之光線經過不同相位差的光柵元件的光強度變化之示意圖;其中,所述不同相位差的光柵元件例如顯示於圖3A至圖3D。
請參考圖1,本實施例之光學感測器100包括至少兩個以上
的光感測像素(例如此處顯示為四個光感測像素112a、112b、112c、112d,但並不以此為限),其中,每個光感測像素112a、112b、112c、112d上方各自對應有一光柵元件122a、122b、122c、122d,且這些光柵元件122a、122b、122c、122d之相位差可分別為0度相位、90度相位、180度相位以及270度相位。亦即,該等光柵元件122a、122b、122c、122d彼此間具有一相位差並分別相對於該等光感測像素112a、112b、112c、112d。
本發明說明中,該等光感測像素112a、112b、112c、112d
可為獨立製作的光感測像素,或者可為同一像素陣列中相鄰或不相鄰的光感測像素,並無特定限制。例如某些實施例中,可於一像素陣列選擇部分像素以作為該等光感測像素112a、112b、112c、112d,而其他像素可用以執行其他功能。
具體來說,不同角度的入射光束L1(或稱物體光束)在經過
不同相位差之光柵元件而於相對應光感測像素的成像會有不同的光強度變化,如圖2所示對應4個光柵元件的四種光強度變化。換言之,本實施例之光學感測器100可透過光感測像素112a、112b、112c、112d所感測的光強度來反推入射光束L1(或是物體光束)之方向與位置,從而計算出物體O1位置,以下將舉例進行較為詳細之說明。
請先參考圖2之曲線L101,曲線L101為不同角度(例如圖2
所繪示之負40度至正40度)之入射光束L1經過相位差為180度之光柵元件後之光強度變化,其中,正向入射(入射角度為零度時)的入射光束之光強度最高,且當入射角度逐漸增加時光強度逐漸改變;相對地,曲線L102為不同角度(例如圖2所繪示之負40度至正40度)之入射光束L1經過相位差為0度之光柵元件後之光強度變化,其中,正向入射(入射角度為零度時)的入射光束之光強度最低,且當入射角度逐漸增加時光強度逐漸改變。因此,透過光感測像素112a、112b、112c、112d所感測的光強度信號(即灰階值信號)便可反推入射光束L1之入射角度,進而透過光線追跡的方式便可計算出物體O1之位置與位置變化。換言之,本實施例之光學感測器100可只使用兩個以上的光感測像素112a、112b、112c、112d即可反推物體O1之位置。此外,相較於傳統距離感測系統(DMS)須使用打光的方式,本實施例之光學感
測器100由於無須打光,且可僅使用數量較少的光感測像素112a、112b、112c、112d即可偵測到物體O1位置,從而具有低成本與小體積之優點。
某些實施例中,為了消除物體O1本身的顏色以及環境光線的影響,可計算物體O1在相同位置時,不同光感測像素所感測之光強度信號與角度的相對關係,以事先建立一查找表(look-up table),例如下表1所示,並儲存於一記憶單元中,
例如表1中,IA1為物體O1位於一第1位置時180度光柵元件之光強度而IB1為物體O1位於該第1位置時0度光柵元件之光強度;IA2為物體O1位於一第2位置時180度光柵元件之光強度而IB2為物體O1位於該第2位置時0度光柵元件之光強度;IA3為物體O1位於一第3位置時180度光柵元件之光強度而IB3為物體O1位於該第3位置時0度光柵元件之光強度;其中,光強度IA1~IA3及IB1~IB3例如可參照圖2。ΦA1~ΦA3為光強度參數1對應180度光柵元件的入射光角度而ΦB1~ΦB3為光強度參數2對應0度光柵元件的入射光角度。由於不同光柵元件之橫向距離可事先求得,因此當入射光角度已知時,可根據三角運算求得物體O1的距離(或高度)、二維座標及三維座標。同時,根據三維座標隨時間的變化即可進行手勢判斷。
藉此,於實際量測時,該光學感測器100則可利用查表的方式判斷物體O1的高度及座標。然而,本發明說明並不以此為限,亦可利用其他演算法,例如表1中的光強度參數1及2可定義成其他方式,只要能夠消除物體O1本身的顏色以及環境光線的影響即可。例如,光強度參數1及2可利用光強度(例如IA1、IB1)分別減去一平均光強度(IA1+IB1)/2後再除以光強度和(IA1+IB1)求得;例如,光強度參數1及2可直接透過計算兩光強度(例如IA1、IB1)之比例求得。因此,既然可消除環境光線的影響,本實施例亦可應用於具有光源的其他裝置中。
當該光學感測器100包含兩個以上的光感測像素時,相對一個物體距離或物體座標,可同時利用複數個光強度決定一個光強度參數,或著利用該等光強度的每兩個光強度決定複數光強度參數,接著根據該至少一光強度參數決定物體距離或物體座標。
本實施例中,該光學感測器100另包含一處理器150電性耦接該等光感測像素112a、112b、112c、112d,用以計算入射光角度、高度及座標,並進行手勢判斷。
一實施例中,所述處理器設置於該光學感測器100外部而與該光學感測器100共同形成一光學感測系統,亦即該光學感測器100僅輸出每一光感測像素之量測值(即光強度信號),而由該外部處理器根據該等光感測像素感測之光強度信號計算至少一光強度參數並判斷入射光角度、根據該至少一光強度參數計算一物體距離及一座標、根據複數光強度參數之一變化進行手勢判斷;其中,光強度參數與入射光角度之一對應關係可事先形成一查找表,如表1所示。
另一實施例中,該等光感測像素112a、112b、112c、112d與該處理器150均製作於一基底層(base layer)中,亦即該處理器150為一處理電路,可用以根據該等光感測像素112a、112b、112c、112d感測之光強度信號計算至少一光強度參數,該至少一光強度參數例如被輸出至一外部主機;而該等光柵元件122a、122b、122c、122d則為形成於該基底層上方之至少兩金屬層。此外,只要該處理器150具有足夠的運算能量,亦可進行上述外部處理器的運算,並無特定限制。
在本實施例中,光學感測器100可另具有一濾光元件130用以濾除特定波長以外的光線,其中該等光柵元件122a、122b、122c、122d位於該濾光元件130與該等光感測像素112a、112b、112c、112d之間。本實施例之圖2係以550nm波長作為舉例說明,但不限於此。更詳而言之,該濾光元件130的波長選擇可根據繞射公式(diffraction equation),配合元件參數,例如兩金屬層(如圖3A~3D所示)間距d1以及光柵元件與光感測像素之間距來決定,以達到較佳的感測結果。
此外,由於本實施例之光學感測器100可只使用少量的光感測像素112a、112b、112c、112d即可反推物體O1之位置,換言之,若本
實施例之光學感測器100採取更多數量的光感測像素陣列,例如:300×300、600×600、900×900的光感測像素陣列,便可獲得物體O1之更多位置資訊,進而建構出物體的3D影像。
另外,需要說明的是,圖1所繪示之光柵元件122a、122b、
122c、122d僅為舉例說明,具體實施方式例如是圖3A~圖3D繪示之實施態樣。詳細來說,請參考圖3A~圖3D,位於光感測像素112a、112b、112c、112d上方的光柵元件122a、122b、122c、122d可以是由至少兩層金屬層M1、M2所構成,其中,不同相位差之光柵元件的產生方式可由這些金屬層M1、M2產生偏移、改變金屬層M1/M2與M1/M2之間隔w1或是金屬層M1、M2之間距d1,而產生0度相位、90度相位、180度相位以及270度相位之形態;其中,間隔w1及間距d1的數值可根據目標光譜依據繞射公式決定。
此外,光柵元件122a、122b、122c、122d的金屬層M1、M2可以是CMOS製程中的第一道金屬層至第十道金屬層之間的任兩層。本發明說明中,M1、M2僅用以標示不同金屬層而並非用以限定為第一道金屬層與第二道金屬層,特此說明。更詳言之,本發明說明中的光柵元件可利用CMOS製程中的至少兩到金屬層來製作,並無特定限制。某些實施例中,每一光感測像素可對應複數光柵元件,而並不限於圖1所示。
另外,位於光感測像素112a、112b、112c、112d上方的光
柵元件122a、122b、122c、122d的金屬層排列方式可以是呈現如圖4A~圖4C所繪示之光學感測器200a~200c的實施態樣,例如:金屬層水平(橫向)排列、垂直(縱向)排列、傾斜一角度,或是其組合,可視實際應用而定。
某些實施例中,光學感測器100另包含至少一透鏡用以增
加感光效率。一實施例中,一透鏡140可設置於該等光柵元件122a、122b、122c、122d上方,以使該等光柵元件122a、122b、122c、122d位於該透鏡140與該等光感測像素112a、112b、112c、112d之間;其中,該透鏡140與該等光柵元件122a、122b、122c、122d可利用一間隙子(spacer)維持一預設距離。另一實施例中,複數微透鏡(microlens)可分別對位於該等光柵元件122a、122b、122c、122d而設置,且該等微透鏡與該等光柵元件122a、122b、122c、122d間具有一保護層(passivation layer)。
必須說明的是,上述實施例中的數值,例如光強度、相位
等,僅用以說明而並非用以限定本發明說明。
綜上所述,習知距離量測系統及手勢辨識系統需要較高的成本及尺寸,且通常需要另外提供一光源。因此,本發明說明提出一種光學感測器(圖1)及光學感測系統,其利用穿過光柵元件之繞射光強度隨入射角度變化的特性,藉以判斷物體的二維、三維位置以及位置變化,且由於無需使用光源,因此具有低成本及尺寸小之優點。
雖然本發明已以前述實例揭示,然其並非用以限定本發明,任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧光學感測器
112a~112d‧‧‧光感測像素
122a~122d‧‧‧光柵元件
L1‧‧‧光束
O1‧‧‧物體
130‧‧‧濾光元件
140‧‧‧透鏡
150‧‧‧處理器
Claims (12)
- 一種光學感測系統,包含:兩光感測像素;兩光柵元件,彼此間具有一相位差並分別相對於該兩光感測像素;以及一處理器,用以根據該兩光感測像素感測之光強度信號判斷入射光角度,根據該兩光感測像素感測之兩光強度信號計算至少一光強度參數,並根據該兩光感測像素分別透過該兩光柵元件感測之複數組兩光強度信號所計算之複數光強度參數之一變化進行手勢判斷。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測系統,另包含至少一濾光元件位於該兩光柵元件上方。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測系統,另包含至少一透鏡,對位於該兩光柵元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測系統,其中該兩光柵元件係由CMOS製程所製作的至少兩金屬層所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測系統,其中該至少一光強度參數與該入射光角度之一對應關係事先形成一查找表。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測系統,其中該處理單元另根據該至少一光強度參數計算一物體距離。
- 一種光學感測器,包含:兩光感測像素; 兩光柵元件,彼此間具有一相位差並分別相對於該兩光感測像素;以及一處理器,用以根據該兩光感測像素感測之兩光強度信號計算至少一光強度參數,並根據該兩光感測像素分別透過該兩光柵元件感測之複數組兩光強度信號所計算之複數光強度參數之一變化進行手勢判斷。
- 如申請專利範圍第7項所述之光學感測器,另包含一濾光元件位於該兩光柵元件上方。
- 如申請專利範圍第7項所述之光學感測器,另包含至少一透鏡,對位於該兩光柵元件。
- 如申請專利範圍第7項所述之光學感測器,其中該兩感測像素與該處理器形成一基底層中。
- 如申請專利範圍第10項所述之光學感測器,其中該兩光柵元件為形成於該基底層上方之至少兩金屬層。
- 如申請專利範圍第11項所述之光學感測器,其中該至少兩金屬層由CMOS製程所製作。
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