TWI696032B

TWI696032B - 具有可調整視場角或有效區域範圍的３ｄ感測相機

Info

Publication number: TWI696032B
Application number: TW108115849A
Authority: TW
Inventors: 廖正興; 許育嘉
Original assignee: 廖正興; 許育嘉
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2020-06-11
Also published as: TW202018405A

Abstract

本發明揭露一種具有可調整視場角或有效區域範圍的3D感測相機，包含：一3D感測相機主體，用以產生一光源至一目標物以形成一有效區域範圍，並感測該有效區域範圍內所反射的該光源，以產生對應於該目標的表面之一光點或一圖案；以及一可調變式透鏡，該光源通過該可調變式透鏡，該可調變式透鏡可以調整該目標物上的該有效區域範圍，以調整該光點或該圖案之密度。

Description

具有可調整視場角或有效區域範圍的3D感測相機

本發明揭露一種3D(Three-dimension)感測相機，尤指一種具有可調整視場角或有效區域範圍的3D感測相機。

目前已習知技術飛時測距(ToF：Time of Flight，以下簡稱TOF)是利用發光二極體(Light Emitting Diode，LED)或雷射二極體(Laser Diode，LD)發射出紅外光，照射到物體表面反射回來，由於光速(v)為已知，可以利用一個紅外光影像感測器量測物體不同深度的位置反射回來的時間(t)，利用簡單的數學公式就可以計算出物體不同位置的距離(深度)；或、結構光(Structured light)利用雷射二極體或數位光源處理器(Digital Light Processor，DLP)打出不同的光線圖形，經由物體不同深度的位置反射回來會造成光線圖形扭曲，例如：打出直線條紋的光線到手指上，由於手指是立體圓弧形造成反射回來變成圓弧形條紋，進入紅外光影像感測器後就可以利用圓弧形條紋反推手指的立體結構。傳統的ToF光學為固定視場角((Field of view，以下簡稱FOV)光源、固定焦距及FOV鏡頭。

除此之外，使用高功率的垂直共振腔面射型雷射發射紅外光雷射，經由繞射光學元件(Diffractive Optical Elements，以下簡稱DOE)等結構，產生大約3萬個「結構」 (Structured)光點投射到使用者的臉部，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機(Infrared camera)，計算出臉部不同位置的距離(深度)。

本發明目的之一在於提供二次光學結構。

本發明目的之一在於可調整感測器之視場角。

本發明目的之一在於可調整感測器解析度。

本發明目的之一在於可調整光源發射模組的有效區域範圍之位置、或角度、或面積、或光源之光軸。

本發明目的之一在於改善先前技術只有單一FOV的問題。

本發明為一種具有可調整視場角或有效區域範圍的3D感測相機，包含：一3D感測相機主體，用以產生一光源至一目標物以形成一有效區域範圍，並感測該有效區域範圍內所反射的該光源，以產生對應於該目標的表面之一光點或一圖案；以及一可調變式透鏡，該光源通過該可調變式透鏡，該可調變式透鏡可以調整該目標物上的該有效區域範圍，以調整該光點或該圖案之密度。

本發明的3D感測相機主體先以一預設FOV感測該光點或該圖案之密度，該3D感測相機主體再依據該目標物之邊緣，並透過該可調變式透鏡來調整以增加該有效區域範圍內該光點或該圖案之密度。

本發明的3D感測相機的該可調變式透鏡調整該3D感測相機主體對於該光點或該圖案之該預設FOV，以提升再次感測時，該3D感測相機主體對於該光點或該圖案之感測的解析度。

本發明的3D感測相機，包含：一光源發射模組，用以產生並發射一光源至一目標物以形成一有效區域範圍；一可調變式透鏡，當該光源通過該可調變式透鏡，該可調變式透鏡可以調整該目標物上的該有效區域範圍，以調整該光點或該圖案之密度；一TOF感測器，感測該有效區域範圍內的該光源以產生一TOF訊號；以及一TOF控制調整單元，接收該TOF訊號，依據該TOF訊號並對應該TOF感測器之解析度產生該光點或該圖案；當該TOF控制調整單元判斷該有效區域範圍內該光點或該圖案的密度小於一臨限值，則該TOF控制調整單元產生一透鏡控制訊號至該可調變式透鏡、或該TOF控制調整單元產生一TOF控制訊號以控制該TOF感測器進行感測之解析度調整；其中，該可調變式透鏡設置於該目標物與該光源發射模組之間、或設置於該目標物與該TOF感測器之間；該可調變式透鏡依據該透鏡控制訊號進行調整型態，該可調變式透鏡改變該光源發射模組所發射之該光源之該有效區域範圍之位置、或角度、或面積、或該光源之光軸、或調整該TOF感測器之該預設視場角，以增加該有效區域範圍內該光點或該圖案的密度；當該TOF感測器於初始感測該目標物時，若該TOF控制調整單元判斷該有效區域範圍內該光點或該圖案的密度小於該臨限值，則TOF控制調整單元控制該可調變式透鏡以調整該有效區域範圍，並同時使該TOF感測器對應地縮小該預設視場角，以增加該TOF感測器再次感測時之解析度。

O‧‧‧目標物

100‧‧‧3D感測相機

101‧‧‧3D感測相機主體

102、102a~102b‧‧‧可調變式透鏡

101a‧‧‧光源發射模組

101b‧‧‧TOF感測器

101c‧‧‧TOF控制調整單元

CPU‧‧‧中央處理單元

LCU‧‧‧透鏡控制單元

TCU‧‧‧TOF控制單元

ITO‧‧‧氧化銦錫

L‧‧‧透鏡控制訊號

TC‧‧‧TOF控制訊號

T‧‧‧TOF訊號

CS‧‧‧控制訊號

V1、V2‧‧‧電壓

Cy‧‧‧液晶

圖1顯示本發明於一實施例之示意圖。

圖2顯示本發明於一實施例中調整FOV之示意圖。

圖3a顯示本發明於一實施例可調變式透鏡之示意圖。

圖3b顯示本發明於一實施例調整焦平面之示意圖。

圖4a~圖4b顯示本發明於一實作之點雲示意圖。

請參考圖1，圖1顯示本發明於一實施例之示意圖。本發明為一種具有可調整視場角或有效區域範圍的3D感測相機，3D感測相機100包含：3D感測相機主體101與可調變式透鏡102；其中3D感測相機100適用於臉部辨識或手勢辨識等相關系統。

3D感測相機主體101，用以產生一光源至一目標物O以形成一有效區域範圍，並感測有效區域範圍內所反射的光源，以產生對應於目標O的表面之一光點或一圖案；可調變式透鏡102，調整目標物O上的有效區域範圍，以調整光點或圖案之密度。

請注意，有效區域範圍於本發明是定義為有效區域範圍之位置、或角度、或面積、或光源之光軸；光點或圖案於一實施例中係由點雲(Point cloud)所實現，且包含三維的景深資料(Depth Data)。

請同時參考圖2，請注意，首先當3D感測相機主體101以預設FOV感測有效區域範圍內所反射的光源之解析度過低時，即本發明之3D感測相機100所產生有效區域範圍若過大，例如：3D感測相機主體101對ToF解析度(Resolution)為VGA(640×480),FOV為HFOV(水平視場角)=60°，當3D感測相機主體101初始掃描感測到遠處一個目標物O，若僅得到約160*120之3D景深資料(如實線部分的範圍)，則3D感測相機主體101內的系統依此3D景深資料不足以辨視目標物O之3D形狀，則3D感測相機主體101依據目標物O之邊緣來控制可調變式透鏡102，使3D感測相機主體101調整有效區域範圍之位置、或角度、或面積、或光源之光軸使其集中於目標物O，進而縮小有效區域範圍而提升3D感測相機主體101感測之解析度，3D感測相機主體101再次感測目標物O得到 640×480之3D景深資料(如虛線部分範圍)，即可辨視目標物O之3D形狀了。

同前所述，於另一實施例中，可調變式透鏡102調整3D感測相機主體101對於目標物O上光點或圖案之預設FOV，例如：將HFOV調整為15°，使3D感測相機主體101感測集中於目標物O所在的區域。

請注意，預設FOV的調整不只限制於HFOV，亦可為垂直視場角及其組合。

請再參考圖1，在一實施例中，3D感測相機主體101包含：一光源發射模組101a，用以產生並發射光源；一TOF感測器101b，感測有效區域範圍內的光源以產生一TOF訊號T；以及一TOF控制調整單元101c，接收TOF訊號T，依據TOF訊號T並對應TOF感測器101b之解析度產生光點或圖案；當TOF控制調整單元101c判斷有效區域範圍內光點或圖案的密度小於一臨限值，則TOF控制調整單元101c產生一透鏡控制訊號L至可調變式透鏡102、或TOF控制調整單元101c產生一TOF控制訊號TC以控制TOF感測器101b進行感測之解析度調整。

其中，可調變式透鏡102包含第一可調變式透鏡102a與第二可調變式透鏡102b，且第一可調變式透鏡102a設置於目標物O與光源發射模組101a之間，第二可調變式透鏡102b設置於目標物O與TOF感測器101b之間；第一可調變式透鏡102a與第二可調變式透鏡102c依據透鏡控制訊號L進行調整型態，第一可調變式透鏡102a改變光源發射模組所發射之光源之有效區域範圍之位置、或角度、或面積、或該光源之光軸、或第二可調變式透鏡102b調整TOF感測器101b感測光點或圖案時之預設FOV，以增加有效區域範圍內該光點或該圖案的密度。

其中，TOF控制調整單元101c包含：一中央處理單元CPU，判斷有效區域範圍內光點或圖案的密度是否小於一臨限值，若小於臨限值則產生透鏡控制訊號L或TOF控制訊號TC；透鏡控制單元LCU，耦接至第一可調變式透鏡102a與第二可調變式透鏡102b，並依據透鏡控制訊號L控制第一可調變式透鏡102a與第二可調變式透鏡102b之型態，使其調整為一實質上的凸透鏡或凹透鏡；以及一TOF控制單元TCU，耦接至TOF感測器101b，並依據TOF控制訊號TC控制TOF感測器101b，以調整該TOF感測器101b之感測該光源之解析度。

在本發明一實施例中，TOF感測器101b與光源發射模組101a分別耦接至TOF控制單元TCU，TOF控制單元TCU依據中央處理單元所傳送的控制訊號CS以致能TOF感測器101b與光源發射模組101a進行運作。

依據中央處理單元CPU的控制訊號CS以致能

請參考圖3a，圖3a顯示本發明第一可調變式透鏡102a或第二可調變式透鏡102b於一實施例之示意圖，在本實施例中，第一可調變式透鏡102a或第二可調變式透鏡102b可由液晶透鏡(Liquid Crystal(LC)Lens)所實現。第一可調變式透鏡102a或第二可調變式透鏡102b包含：至少一液晶透鏡LC，液晶透鏡LC依據透鏡控制訊號L來調整光點或圖案的預設視場角、或有效區域範圍，該透鏡控制訊號L包含電壓訊號。

請注意，一實施例的液晶透鏡LC由三個氧化銦錫(ITO)玻璃基板透過兩個電壓V1與V2操作液晶CY，液晶透鏡LC耦接至TOF控制調整單元101c；當電壓V1>V2時，則液晶透鏡LC當作凸透鏡使用；當電壓V1<V2時，則液晶透鏡LC當作凹透鏡使用。利用電壓V1與V2來控制內部液晶CY的折射率，並藉由折射率的分佈來達到聚控制焦距。故，其焦平面亦隨電壓V1與V2操作而改變，如圖3b之斜線部分示意圖。

請同時參考圖4a~4b，圖4a~4b顯示本發明於一手勢辨識實作示意圖，圖4a中可以了解其可辨識的點雲解析度太低無法辨識出手勢，但經由本發明的調整可以改善至圖4b，其手部區域點雲密度，故手勢辨識解析度大幅提升。

綜上所述，本發明利用第一可調變式透鏡102a或第二可調變式透鏡102b進行調整後再進行第二次感測，首先由中央處理單元CPU判斷目前感測的有效區域範圍內光點或圖案的密度是否小於一臨限值；若小於臨限值，透鏡控制單元LCU施加電壓V1與V2控制液晶轉向，來調整有效區域範圍，意即光點或物體上的圖案的視場角受到相對應的調整以進行第二次感測，來達到目標物之三維的景深資料最佳化。