TWI657264B - 結構光投射裝置 - Google Patents

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Abstract

一種結構光投射裝置，包括一光源模組、一分光模組、 一第一繞射光學元件以及一第二繞射光學元件。光源模組用以發出一光束。分光模組設置於光束的傳遞路徑上，且用以將光束分為一第一部分光束以及一第二部分光束。第一繞射光學元件設置於第一部分光束的傳遞路徑上，第一部分光束在通過第一繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第一結構光。第二繞射光學元件設置於第一繞射光學元件旁，且設置於第二部分光束的傳遞路徑上，第二部分光束在通過第二繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第二結構光。

Description

結構光投射裝置
本發明是有關於一種光投射裝置，且特別是有關於一種結構光投射裝置。
結構光感測裝置藉由投射具有特殊圖案的結構光於一物體上，並且感測此特殊圖案投射於物體後所產生的形變來量測物體的表面輪廓。一般來說，可將一繞射光學元件配置於例如為雷射的光源上，並藉由繞射光學元件使雷射光束產生具有特殊圖案的結構光。
為了使量測結果更加精準，可採用兩組不同的繞射光學元件來產生兩組具有不同圖案的結構光。然而，兩組繞射光學元件需對應設置兩組雷射光源，其體積較大且成本較為高昂。
本發明的實施例提供一種結構光投射裝置，其體積較小且成本較低。
本發明的一實施例提出一種結構光投射裝置，包括一光源模組、一分光模組、一第一繞射光學元件以及一第二繞射光學元件。光源模組用以發出一光束。分光模組設置於光束的傳遞路徑上，分光模組用以將光束分為一第一部分光束以及一第二部分光束。第一繞射光學元件設置於第一部分光束的傳遞路徑上，第一部分光束在通過第一繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第一結構光。第二繞射光學元件設置於第一繞射光學元件旁，且設置於第二部分光束的傳遞路徑上，第二部分光束在通過第二繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第二結構光。
在本發明的一實施例中，上述的分光模組包括一部分穿透部分反射元件以及一反射元件。部分穿透部分反射元件設置於光束的傳遞路徑上，其中光束的第一部分光束被部分穿透部分反射元件反射，以傳遞至第一繞射光學元件，且光束的第二部分光束穿透部分穿透部分反射元件。反射元件設置於穿透部分穿透部分反射元件的第二部分光束的傳遞路徑上，且第二部分光束被反射元件反射，以傳遞至第二繞射光學元件。
在本發明的一實施例中，上述的第一部分光束以及第二部分光束的光強度為相同。
在本發明的一實施例中，上述的第一部分光束以及第二部分光束的光強度為不相同。
本發明的一實施例提出一種結構光投射裝置，包括一光源模組、一第一繞射光學元件以及一第二繞射光學元件。光源模組具有一第一發光部以及一第二發光部，第一發光部用以發出一第一部分光束，第二發光部用以發出一第二部分光束。第一繞射光學元件設置於第一部分光束的傳遞路徑上，第一部分光束在通過第一繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第一結構光。第二繞射光學元件，設置於第一繞射光學元件旁，且設置於第二部分光束的傳遞路徑上，第二部分光束在通過第二繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第二結構光。第一部分光束與第二部分光束的至少其中一者的波長為大於等於910奈米且小於等於970奈米，或者第一部分光束與第二部分光束的至少其中一者的波長為大於等於1330奈米且小於等於1370奈米。
在本發明的一實施例中，上述的第一部分光束以及第二部分光束的波長為相同。
在本發明的一實施例中，上述的第一部分光束以及第二部分光束的波長為不相同。
在本發明的一實施例中，上述的第一繞射光學元件與第二繞射光學元件具有不同的繞射圖案。
在本發明的一實施例中，上述的結構光投射裝置更包括一第一透鏡模組與一第二透鏡模組，分別設置在第一部分光束以及第二部分光束的傳遞路徑上，且第一透鏡模組與第二透鏡模組用於光束整形以及光束準直的至少其中之一。
基於上述，本發明的實施例的結構光投射裝置採用兩組繞射光學元件，並藉由兩種簡易的方式來分別提供第一部分光束以及第二部分光束至第一繞射光學元件以及第二繞射光學元件，第一種是藉由分光模組以將光源模組所發出的光束分為第一部分光束以及第二部分光束，第二種是單一光源模組即具有可分別發出第一部分光束以及第二部分光束的第一發光部以及第二發光部，因此本發明的實施例的結構光投射裝置無須設置兩組光源模組來分別對應兩組繞射光學元件，有利於節省體積以及減少成本。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明一實施例的結構光投射裝置的架構示意圖。請參照圖1，本實施例的結構光投射裝置100包括一光源模組110、一分光模組120、一第一繞射光學元件130以及一第二繞射光學元件140。光源模組110用以發出一光束L。分光模組120設置於光束L的傳遞路徑上，分光模組120用以將光束L分為一第一部分光束L1以及一第二部分光束L2。第一繞射光學元件130設置於第一部分光束L1的傳遞路徑上，第一部分光束L1在通過第一繞射光學元件130後產生彼此分離的多個光束，以形成一第一結構光SL1。第二繞射光學元件140設置於第一繞射光學元件130旁，且設置於第二部分光束L2的傳遞路徑上，第二部分光束L2在通過第二繞射光學元件140後產生彼此分離的多個光束，以形成一第二結構光SL2。在本實施例中，光源模組110例如是邊射型雷射（edge emitting laser，EEL），或者是其他適當的光源。
具體來說，分光模組120包括一部分穿透部分反射元件122以及一反射元件124。部分穿透部分反射元件122設置於光束L的傳遞路徑上，其中光束L的第一部分光束L1被部分穿透部分反射元件122反射，以傳遞至第一繞射光學元件130，且光束L的第二部分光束L2穿透部分穿透部分反射元件122。反射元件124設置於穿透部分穿透部分反射元件122的第二部分光束L2的傳遞路徑上，且第二部分光束L2被反射元件124反射，以傳遞至第二繞射光學元件140。換言之，由光源模組110發出的光束L在傳遞至部分穿透部分反射元件122後，第一部分光束L1被部分穿透部分反射元件122反射，以傳遞至第一繞射光學元件130，而第二部分光束L2則是依序穿透部分穿透部分反射元件122、傳遞至反射元件124以及被反射元件124反射，以傳遞至第二繞射光學元件140。
本實施例藉由分光模組120來將光源模組110所發出的光束L分為第一部分光束L1以及第二部分光束L2，而無須設置兩組光源模組來分別對應兩組繞射光學元件，有利於節省體積以及減少成本。
在本實施例中，第一部分光束L1以及第二部分光束L2的光強度可以為相同，也可以為不相同。詳細來說，若部分穿透部分反射元件122的反射率為R%，穿透率為1-R%，則第一部分光束L1的光強度約為I 0*R%，第二部分光束L2的光強度約為I 0*(1-R%)，其中I 0為光束L的光強度。因此，可藉由控制部分穿透部分反射元件122的反射率(或穿透率)，來調變第一部分光束L1以及第二部分光束L2的光強度。其中，若第一部分光束L1以及第二部分光束L2的光強度為不相同，將有利於結構光投射裝置100所投射的第一結構光SL1以及第二結構光SL2之分辨率的提升。在本實施例中，部分穿透部分反射元件122例如是鍍有部分穿透部分反射膜的稜鏡，反射元件124例如是鍍有反射膜的稜鏡。在其他實施例中，反射元件124也可以是反射鏡、內部全反射(total internal reflection，TIR)稜鏡或其他適當的反射光學元件。
圖2A至圖2C為本發明的一些實施例的第一結構光的圖案或第二結構光的圖案的示意圖。在本實施例中，第一繞射光學元件130與第二繞射光學元件140例如是具有不同的繞射圖案，使投射出的第一結構光SL1以及第二結構光SL2可以具有不同的圖案。舉例來說，如圖2A所示，投射第一結構光SL1或第二結構光SL2在一屏幕上所形成的光圖案可以是呈規則排列的點陣圖案。如圖2B所示，光圖案也可以是呈現多個箭頭排成陣列的圖案。如圖2C所示，光圖案也可以是呈現多個T字型排成陣列的圖案。然而，在其他實施例中，投射第一結構光SL1或第二結構光SL2在屏幕上所形成的光圖案也可以是具有其他圖案，且可以是規則排列或是不規則排列，本發明不以此為限。由於第一結構光SL1以及第二結構光SL2可以具有不同的圖案，有助於使量測結果更加精準。
請再參照圖1，本實施例的結構光投射裝置100更包括一第一透鏡模組150與一第二透鏡模組160，分別設置在第一部分光束L1以及第二部分光束L2的傳遞路徑上，且第一透鏡模組150與第二透鏡模組160用於光束整形以及光束準直的至少其中之一。詳細來說，第一透鏡模組150設置於第一繞射光學元件130與部分穿透部分反射元件122之間，第二透鏡模組160設置於第二繞射光學元件140與反射元件124之間。第一透鏡模組150例如是經由一連接單元170而連接至第一繞射光學元件130。第二透鏡模組160例如是經由一連接單元180而連接至第二繞射光學元件140。
在本實施例中，第一透鏡模組150可包括一發散透鏡C1與一會聚透鏡C2，發散透鏡C1與會聚透鏡C2依序配置在第一部分光束L1的傳遞路徑上，其中發散透鏡C1用以對第一部分光束L1進行擴束，會聚透鏡C2用以使擴束後的第一部分光束L1準直。第二透鏡模組160也可包括一發散透鏡C3與一會聚透鏡C4，發散透鏡C3與會聚透鏡C4依序配置在第二部分光束L2的傳遞路徑上，其中發散透鏡C3用以對第二部分光束L2進行擴束，會聚透鏡C4用以使擴束後的第二部分光束L2準直。在本實施例中，發散透鏡C1以及會聚透鏡C2例如是透過壓印(imprinting)製程而分別形成於基板S1的兩側上。發散透鏡C3以及會聚透鏡C4例如是透過壓印製程而分別形成於基板S2的兩側上。
在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。
圖3為本發明另一實施例的結構光投射裝置的架構示意圖。請參照圖3，本實施例的結構光投射裝置200的光源模組210具有設置於基板S上的一第一發光部212以及一第二發光部214，第一發光部212對應於第一繞射光學元件130設置，而第二發光部214對應於第二繞射光學元件140設置。第一發光部212用以發出第一部分光束L1，並將第一部分光束L1傳遞至第一繞射光學元件130。第二發光部214用以發出第二部分光束L2，並將第二部分光束L2傳遞至第二繞射光學元件140。在本實施例中，光源模組210例如是垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)模組。
本實施例的光源模組210具有可分別發出第一部分光束L1以及第二部分光束L2的第一發光部212以及第二發光部214，因此無須設置兩組光源模組來分別對應兩組繞射光學元件，有利於節省體積以及減少成本。
在本實施例中，第一部分光束L1與第二部分光束L2的至少其中一者的波長為大於等於910奈米且小於等於970奈米，或者第一部分光束L1與第二部分光束L2的至少其中一者的波長為大於等於1330奈米且小於等於1370奈米。一般來說，太陽光頻譜(solar spectrum)在可見光的波長範圍內的輻照度(irradiance)較強，而在紅外光的波長範圍內的輻照度較弱，其中，在大於等於910奈米且小於等於970奈米的波長範圍，以及大於等於1330奈米且小於等於1370奈米的波長範圍大約落在大氣層中水氣(H 2O)或二氧化碳(CO 2)的吸收帶(absorption band)內，因此地表上的太陽光在上述波長範圍內的輻照度更微弱。也就是說，若第一部分光束L1與第二部分光束L2的波長落在上述波長範圍內，可避免外在太陽光的干擾，有助於提升量測的準確度。
在本實施例中，第一部分光束L1與第二部分光束L2的波長可以為相同，也可以為不相同。若第一部分光束L1與第二部分光束L2的波長為不相同，可避免第一部分光束L1與第二部分光束L2之間互相干擾而影響量測結果，因此可進一步提升量測的準確度。
需說明的是，圖1中的結構光投射裝置100的光源模組110所發出的光束L的波長也可以是落在大於等於910奈米且小於等於970奈米的波長範圍內，或是落在大於等於1330奈米且小於等於1370奈米的波長範圍內。此外，圖3中的結構光投射裝置200的第一發光部212所發出的第一部分光束L1與第二發光部214所發出的第二部分光束L2的光強度可以為相同，也可以為不相同，本發明不以此為限。
綜上所述，本發明的實施例的結構光投射裝置採用兩組繞射光學元件，並藉由兩種簡易的方式來分別提供第一部分光束以及第二部分光束至第一繞射光學元件以及第二繞射光學元件，第一種是藉由分光模組以將光源模組所發出的光束分為第一部分光束以及第二部分光束，第二種是單一光源模組即具有可分別發出第一部分光束以及第二部分光束的第一發光部以及第二發光部，因此本發明的實施例的結構光投射裝置無須設置兩組光源模組來分別對應兩組繞射光學元件，有利於節省體積以及減少成本。另一方面，若第一部分光束以及第二部分光束的波長落在大於等於910奈米且小於等於970奈米的波長範圍內，或是落在大於等於1330奈米且小於等於1370奈米的波長範圍內，可避免外在太陽光的干擾，有助於提升量測的準確度。此外，第一部分光束以及第二部分光束的光強度或是波長可以為不相同，皆有利於結構光投射裝置所投射的第一結構光以及第二結構光之分辨率的提升，可提升量測的準確度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧結構光投射裝置
110、210‧‧‧光源模組
120‧‧‧分光模組
122‧‧‧部分穿透部分反射元件
124‧‧‧反射元件
130‧‧‧第一繞射光學元件
140‧‧‧第二繞射光學元件
150‧‧‧第一透鏡模組
160‧‧‧第二透鏡模組
170、180‧‧‧連接單元
212‧‧‧第一發光部
214‧‧‧第二發光部
C1、C3‧‧‧發散透鏡
C2、C4‧‧‧會聚透鏡
L‧‧‧光束
L1‧‧‧第一部分光束
L2‧‧‧第二部分光束
S、S1、S2‧‧‧基板
SL1‧‧‧第一結構光
SL2‧‧‧第二結構光
圖1為本發明一實施例的結構光投射裝置的架構示意圖。 圖2A至圖2C為本發明的一些實施例的第一結構光的圖案或第二結構光的圖案的示意圖。 圖3為本發明另一實施例的結構光投射裝置的架構示意圖。

Claims (9)

  1. 一種結構光投射裝置，包括：一光源模組，用以發出一光束；一分光模組，設置於該光束的傳遞路徑上，該分光模組用以將該光束分為一第一部分光束以及一第二部分光束；一第一繞射光學元件，設置於該第一部分光束的傳遞路徑上，該第一部分光束在通過該第一繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第一結構光；一第二繞射光學元件，設置於該第一繞射光學元件旁，且設置於該第二部分光束的傳遞路徑上，該第二部分光束在通過該第二繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第二結構光；一第一透鏡模組；以及一第二透鏡模組，該第一透鏡模組與該第二透鏡模組分別設置在該第一部分光束以及該第二部分光束的傳遞路徑上，且該第一透鏡模組與該第二透鏡模組分別包括一發散透鏡與一會聚透鏡，該第一透鏡模組與該第二透鏡模組用於光束整形以及光束準直的至少其中之一，其中該第一透鏡模組與該第二透鏡模組透過各自的該發散透鏡以分別對該第一部分光束與該第二部分光束進行擴束。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射裝置，其中該分光模組包括：一部分穿透部分反射元件，設置於該光束的傳遞路徑上，其中該光束的該第一部分光束被該部分穿透部分反射元件反射，以傳遞至該第一繞射光學元件，且該光束的該第二部分光束穿透該部分穿透部分反射元件；以及一反射元件，設置於穿透該部分穿透部分反射元件的該第二部分光束的傳遞路徑上，且該第二部分光束被該反射元件反射，以傳遞至該第二繞射光學元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射裝置，其中該第一部分光束以及該第二部分光束的光強度為相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射裝置，其中該第一部分光束以及該第二部分光束的光強度為不相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的結構光投射裝置，其中該第一繞射光學元件與該第二繞射光學元件具有不同的繞射圖案。
  6. 一種結構光投射裝置，包括：一光源模組，具有一第一發光部以及一第二發光部，該第一發光部用以發出一第一部分光束，該第二發光部用以發出一第二部分光束；一第一繞射光學元件，設置於該第一部分光束的傳遞路徑上，該第一部分光束在通過該第一繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第一結構光；一第二繞射光學元件，設置於該第一繞射光學元件旁，且設置於該第二部分光束的傳遞路徑上，該第二部分光束在通過該第二繞射光學元件後產生彼此分離的多個光束，以形成一第二結構光；一第一透鏡模組；以及一第二透鏡模組，該第一透鏡模組與該第二透鏡模組分別設置在該第一部分光束以及該第二部分光束的傳遞路徑上，且該第一透鏡模組與該第二透鏡模組分別包括一發散透鏡與一會聚透鏡，該第一透鏡模組與該第二透鏡模組用於光束整形以及光束準直的至少其中之一，該第一透鏡模組與該第二透鏡模組透過各自的該發散透鏡以分別對該第一部分光束與該第二部分光束進行擴束，其中該第一部分光束與該第二部分光束的至少其中一者的波長為大於等於910奈米且小於等於970奈米，或者該第一部分光束與該第二部分光束的至少其中一者的波長為大於等於1330奈米且小於等於1370奈米。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的結構光投射裝置，其中該第一部分光束以及該第二部分光束的波長為相同。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的結構光投射裝置，其中該第一部分光束以及該第二部分光束的波長為不相同。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的結構光投射裝置，其中該第一繞射光學元件與該第二繞射光學元件具有不同的繞射圖案。
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