TWI699560B

TWI699560B - 光投射裝置

Info

Publication number: TWI699560B
Application number: TW108117917A
Authority: TW
Inventors: 陳宏山; 陳明璿
Original assignee: 源奇科技股份有限公司
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-07-21
Also published as: TW202043854A

Abstract

一種光投射裝置包含：光源、光學相位調制器與液晶元件。光源用以發射光。光學相位調制器用以接收光且用以調制光的相位。液晶元件用以接收光且用以產生圖案光。其中液晶元件包含：兩個基板、兩個導電電極與液晶層。導電電極分別設置於基板上。液晶層設置於導電電極之間，其中液晶層包含多個液晶分散於圖案化高分子結構中。其中藉由改變施加於導電電極之間的電壓來調整圖案光的圖案。

Description

光投射裝置

本揭露實施例是有關於一種光投射裝置，且特別是有關於一種用以提供具有可調圖案的圖案光的光投射裝置。

整合在行動裝置內的光投射系統使用光學相位調制器(optical phase modulator)來產生圖案光(patterned light)，例如結構光(structured light)或泛光(flood light)。藉由光投射系統所投射出的圖案光可用於透過立體影像匹配來進行人臉辨識。然而，光投射系統在設計完成後，圖案光的圖案和/或空間能量分布就無法再有變化。若是需要改變圖案光的圖案或空間能量分布，就得在光投射系統上額外增設一些的光學元件才能達成。

本揭露之目的在於提出一種光投射裝置，包含：光源、光學相位調制器(optical phase modulator)與液晶元件。光源用以發射光。光學相位調制器用以接收光且用以調制光的相位。液晶元件用以接收光且用以產生圖案光 (patterned light)。其中液晶元件包含：兩個基板、兩個導電電極與液晶層。導電電極分別設置於基板上。液晶層設置於導電電極之間，其中液晶層包含多個液晶分散於圖案化高分子結構中。其中藉由改變施加於導電電極之間的電壓來調整圖案光的圖案。

在一些實施例中，上述光學相位調制器為繞射光學元件(diffractive optical element，DOE)。

在一些實施例中，上述光學相位調制器為微透鏡陣列(microlens array，MLA)。

在一些實施例中，上述光投射裝置更包含：透鏡，設置於光源與光學相位調制器之間且用以聚焦自光源所發射來的光。

在一些實施例中，上述光投射裝置更包含：控制驅動器，電性連接至導電電極且用以控制施加於導電電極之間的電壓。

在一些實施例中，上述圖案化高分子結構為高分子網絡液晶(polymer network liquid crystal，PNLC)。

在一些實施例中，上述圖案化高分子結構為高分子分散液晶(polymer dispersed liquid crystal，PDLC)。

在一些實施例中，其中藉由調整圖案化高分子結構的密度分布來調整圖案光的空間能量分布。

在一些實施例中，其中藉由調整施加於導電電極之間的電壓來改變液晶的有效折射率與圖案化高分子結構的折射率的差值。

在一些實施例中，其中當液晶的有效折射率匹配於圖案化高分子結構的折射率時，圖案光為結構光(structured light)；其中當液晶的有效折射率不匹配於圖案化高分子結構的折射率時，圖案光為泛光(flood light)。

本揭露之目的在於另提出一種光投射裝置，包含：光源、光學相位調制器與液晶元件組。光源用以發射光。光學相位調制器用以接收光且用以調制光的相位。液晶元件組用以接收光且用以產生圖案光。其中液晶元件組包含至少兩個液晶元件。其中液晶元件之每一者包含：兩個基板、兩個導電電極與液晶層。導電電極分別設置於基板上。液晶層設置於導電電極之間，其中液晶層包含多個液晶分散於圖案化高分子結構中。其中藉由改變施加於每一液晶元件的導電電極之間的電壓來調整圖案光的圖案。

在一些實施例中，上述光學相位調制器為繞射光學元件。

在一些實施例中，上述光學相位調制器為微透鏡陣列。

在一些實施例中，上述光投射裝置更包含：控制驅動器，電性連接至導電電極且用以控制施加於每一液晶元件的導電電極之間的電壓。

在一些實施例中，上述圖案化高分子結構為高分子網絡液晶。

在一些實施例中，上述圖案化高分子結構為高分子分散液晶。

在一些實施例中，其中藉由調整施加於每一液晶元件的導電電極之間的電壓來改變液晶的有效折射率與圖案化高分子結構的折射率的差值。

在一些實施例中，其中當液晶的有效折射率匹配於圖案化高分子結構的折射率時，圖案光為結構光；其中當液晶的有效折射率不匹配於圖案化高分子結構的折射率時，圖案光為泛光。

100、200、300、400、500‧‧‧光投射裝置

110、210、310‧‧‧光源

120、220、320‧‧‧光學相位調制器

130、230、330a、330b‧‧‧液晶元件

131、132、231、232、331、332、336‧‧‧基板

133、134、233、234、333、334、338、339‧‧‧導電電極

135、235、335、337‧‧‧液晶層

140、240、340a、340b‧‧‧控制驅動器

透過閱讀實施例的以下詳細描述，且參考如下所附圖示，可以更完整地理解本揭露。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

[圖1A]與[圖1B]係根據本揭露的第一實施例之光投射裝置的示意圖。

[圖2A]係根據本揭露的第一實施例之圖案光的中心增強型空間能量分布的示意圖。

[圖2B]係根據本揭露的第一實施例之圖案光的邊緣增強型空間能量分布的示意圖。

[圖3A]與[圖3B]係根據本揭露的第二實施例之光投射裝置的示意圖。

[圖4]係根據本揭露的第三實施例之光投射裝置的示意圖。

[圖5]係根據本揭露的第四實施例之光投射裝置的示意圖。

[圖6]係根據本揭露的第五實施例之光投射裝置的示意圖。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。

圖1A與圖1B係根據本揭露的第一實施例之光投射裝置100的示意圖。光投射裝置100包含光源110、光學相位調制器(optical phase modulator)120、液晶元件130與控制驅動器140。如圖1A與圖1B所示，光學相位調制器120設置於光源110與液晶元件130之間。

光源110用以發射光。光學相位調制器120用以接收自光源110所發射來的光且用以調制自光源110所發射來的光的相位。液晶元件130用以接收自光學相位調制器120所發射來的經調制後的光，從而據以產生用於投射至屏幕或人臉(圖未示出)上的圖案光(patterned light)。

在本發明的第一實施例中，光學相位調制器120可為繞射光學元件(diffractive optical element，DOE)或微透鏡陣列(microlens array，MLA)。在本發明的其他實施例中，光投射裝置還可包含透鏡，設置於光投射裝置的光源與光學相位調制器之間，從而用以聚焦自光源所發射來的光。

如圖1A與圖1B所示，液晶元件130包含：基板131、基板132、導電電極133、導電電極134與液晶層135。基板131設置於導電電極133上，且導電電極134設置於基板132上。因此，導電電極133與導電電極134係設置於基板131與基板132之間。控制驅動器140係電性連接至導電電極133與導電電極134。控制驅動器140用以控制施加於導電電極133與導電電極134之間的電壓。

如圖1A與圖1B所示，液晶層135設置於導電電極133與導電電極134之間，液晶層135包含多個液晶分散於圖案化高分子結構(patterned polymer structure)中。如圖1A與圖1B所示，在光投射裝置100的液晶層135的圖案化高分子結構中存在密度分布。在本發明的第一實施例中，圖案化高分子結構為高分子網絡液晶(polymer network liquid crystal，PNLC)，且液晶層135所包含的多個液晶為負型(negative anisotropy)液晶。在如圖1A所示的情況下，於導電電極133與導電電極134之間沒有施加電壓，且液晶層135所包含的多個液晶的排列方向垂直於導電電極133與導電電極134的延伸方向。在如圖1A所示的情況中，液晶層135所包含的多個液晶的有效折射率(effective refractive index)匹配於圖案化高分子結構的折射率(refractive index)，因此由圖1A的液晶元件130所投射出的圖案光為結構光(structured light)。

在如圖1B所示的情況下，於導電電極133與導電電極134之間施加了適當的電壓，且由於負型液晶的特性，液晶層135所包含的多個液晶的排列方向垂直於形成於導電電極133與導電電極134之間的電場的電場方向。在如圖1B所示的情況中，液晶層135所包含的多個液晶的有效折射率不匹配於圖案化高分子結構的折射率，因此由圖1B的液晶元件130所投射出的圖案光為泛光(flood light)。

換言之，在本發明的第一實施例中，可藉由改變施加於導電電極133與導電電極134之間的電壓來調整由液晶元件130所投射出的圖案光的圖案。當改變施加於導電電極133與導電電極134之間的電壓時，液晶層135所包含的多個液晶的有效折射率與圖案化高分子結構的折射率的差值會隨之改變，且因此由液晶元件130所投射出的圖案光的圖案也會相應地改變。因此，在本發明的第一實施例中，可藉由適當地控制施加於導電電極133與導電電極134之間的電壓，來調整由液晶元件130所投射出的圖案光的空間能量分布(spatial energy distribution)。

在本發明的一些實施例中，可藉由調整光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的密度分布(density distribution)來調整光投射裝置所投射出的圖案光的空間能量分布。舉例而言，可基於液晶層的圖案化高分子結構的密度分布的特定設計來將光投射裝置所投射出的圖案光的空間能量分布區分為中心部與外圍部，且圖案光的中心部的光強度高於圖案光的外圍部的光強度，因此圖案光的空間能量分布為中心增強型(central enhanced)，如圖2A所示。舉另一例而言，可基於液晶層的圖案化高分子結構的密度分布的另一特定設計來同樣將光投射裝置所投射出的圖案光的空間能量分布區分為中心部與外圍部，但圖案光的中心部的光強度低於圖案光的外圍部的光強度，因此圖案光的空間能量分布為邊緣增強型(edge enhanced)，如圖2B所示。其中，關於圖2A與圖2B所示的灰階圖案，較暗的灰色代表較高的光強度，較淺的灰色代表較低的光強度。舉又一例而言，可基於液晶層的圖案化高分子結構的密度分布的又一特定設計來同樣將光投射裝置所投射出的圖案光的空間能量分布區分為中間部與角落部，且圖案光的中間部的光強度低於圖案光的角落部的光強度，因此圖案光的空間能量分布為角落增強型(corner enhanced)。具體而言，可藉由調整光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的密度分布來在空間上調整光投射裝置所投射出的圖案光的空間能量分布。

在本發明的一些實施例中，光投射裝置所投射出的圖案光的圖案也與光投射裝置的光源和/或光學相位調制器的設計相關聯，因此需要根據光投射裝置的光源和/或光學相位調制器的設計來相應地設計光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的密度分布。具體而言，光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的密度分布係設計為與從光投射裝置的光源和光學相位調制器所發射出的多個光束對準。

值得一提的是，本發明並不限定光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的密度分布的設計。意即，光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的密度分布為規則的或不規則的，或者是光投射裝置的液晶層的圖案化高分子結構的分布密度可高於或低於光投射裝置的光源的多個光束的密度。

圖3A與圖3B係根據本揭露的第二實施例之光投射裝置200的示意圖。光投射裝置200包含光源210、光學相位調制器220、液晶元件230與控制驅動器240。如圖3A與圖3B所示，光學相位調制器220設置於光源210與液晶元件230之間。

光源210用以發射光。光學相位調制器220用以接收自光源210所發射來的光且用以調制自光源210所發射來的光的相位。液晶元件230用以接收自光學相位調制器220所發射來的經調制後的光，從而據以產生用於投射至屏幕或人臉(圖未示出)上的圖案光。在本發明的第一實施例中，光學相位調制器220可為繞射光學元件或微透鏡陣列。

如圖3A與圖3B所示，液晶元件230包含：基板231、基板232、導電電極233、導電電極234與液晶層235。基板231設置於導電電極233上，且導電電極234設置於基板232上。因此，導電電極233與導電電極234係設置於基板231與基板232之間。控制驅動器240係電性連接至導電電極233與導電電極234。控制驅動器240用以控制施加於導電電極233與導電電極234之間的電壓。

如圖3A與圖3B所示，液晶層235設置於導電電極233與導電電極234之間，液晶層235包含多個液晶分散於圖案化高分子結構中。如圖3A與圖3B所示，在光投射裝置200的液晶層235的圖案化高分子結構中存在呈現各種不同顆粒(droplet)尺寸的空間分布(spatial distribution)。在本發明的第二實施例中，圖案化高分子結構為高分子分散液晶(polymer dispersed liquid crystal，PDLC)，且液晶層235所包含的多個液晶為正型(positive anisotropy)液晶。在如圖3A所示的情況下，於導電電極233與導電電極234之間沒有施加電壓，且液晶層235所包含的多個液晶的排列方向為數個隨機方向。在如圖3A所示的情況中，液晶層235所包含的多個液晶的有效折射率不匹配於圖案化高分子結構的折射率，因此由圖3A的液晶元件230所投射出的圖案光為泛光。

在如圖3B所示的情況下，於導電電極233與導電電極234之間施加了適當的電壓，且由於正型液晶的特性，液晶層235所包含的多個液晶的排列方向平行於形成於導電電極233與導電電極234之間的電場的電場方向。在如圖3B所示的情況中，液晶層235所包含的多個液晶的有效折射率匹配於圖案化高分子結構的折射率，因此由圖3B的液晶元件230所投射出的圖案光為結構光。

換言之，在本發明的第二實施例中，可藉由改變施加於導電電極233與導電電極234之間的電壓來調整由液晶元件230所投射出的圖案光的圖案。當改變施加於導電電極233與導電電極234之間的電壓時，液晶層235所包含的多個液晶的有效折射率與圖案化高分子結構的折射率的差值會隨之改變，且因此由液晶元件230所投射出的圖案光的圖案也會相應地改變。因此，在本發明的第二實施例中，可藉由適當地控制施加於導電電極233與導電電極234之間的電壓，來調整由液晶元件230所投射出的圖案光的空間能量分布。

圖4係根據本揭露的第三實施例之光投射裝置300的示意圖。光投射裝置300包含光源310、光學相位調制器320、液晶元件組、控制驅動器340a與控制驅動器340b。光投射裝置300的液晶元件組包含液晶元件330a與液晶元件330b。如圖4所示，光學相位調制器320設置於光源310與液晶元件組之間。應注意的是，本發明並不限定光投射裝置的液晶元件組的液晶元件的數量。意即，本發明的光投射裝置的液晶元件組可包含兩個以上的液晶元件。

光源310用以發射光。光學相位調制器320用以接收自光源310所發射來的光且用以調制自光源310所發射來的光的相位。液晶元件330a與液晶元件330b用以接收自光學相位調制器320所發射來的經調制後的光，從而據以產生用於投射至屏幕或人臉(圖未示出)上的圖案光。在本發明的第三實施例中，光學相位調制器320可為繞射光學元件或微透鏡陣列。

如圖4所示，液晶元件330a包含：基板331、基板332、導電電極333、導電電極334與液晶層335，液晶元件330b包含：基板332、基板336、導電電極338、導電電極339與液晶層337。基板331設置於導電電極333上，且導電電極334設置於基板332上，基板332設置於導電電極339上，且導電電極338設置於基板336上。因此，導電電極333與導電電極334係設置於基板331與基板332之間，且導電電極338與導電電極339係設置於基板332與基板336之間。控制驅動器340a係電性連接至導電電極333與導電電極334，且控制驅動器340b係電性連接至導電電極338與導電電極339。控制驅動器340a用以控制施加於導電電極333與導電電極334之間的電壓，且控制驅動器340b用以控制施加於導電電極338與導電電極339之間的電壓。應注意的是，液晶元件330a與液晶元件330b共用基板332。

液晶層335與液晶層337之每一者實質上相同於液晶層135，因此關於液晶層335與液晶層337的敘述於本文中不再重複。具體而言，可藉由改變施加於導電電極333與導電電極334之間的電壓和/或改變施加於導電電極338與導電電極339之間的電壓來調整由液晶元件組所投射出的圖案光的圖案。當改變施加於導電電極333與導電電極334之間的電壓時，液晶層335所包含的多個液晶的有效折射率與液晶層335的圖案化高分子結構的折射率的差值會隨之改變，且因此由液晶元件330a所投射出的圖案光的圖案也會相應地改變。當改變施加於導電電極338與導電電極339之間的電壓時，液晶層337所包含的多個液晶的有效折射率與液晶層337的圖案化高分子結構的折射率的差值會隨之改變，且因此由液晶元件330b所投射出的圖案光的圖案也會相應地改變。

應注意的是，在本發明的其他實施例中，光投射裝置的液晶元件也可以設置於光源與光學相位調制器之間。舉例而言，圖5係根據本揭露的第四實施例之光投射裝置400的示意圖。如圖5所示，光投射裝置400的液晶元件130設置於光投射裝置400的光源110與光投射裝置400的光學相位調制器120之間。應注意的是，在本發明的其他實施例中，光投射裝置的液晶元件組也可以設置於光源與光學相位調制器之間。舉例而言，圖6係根據本揭露的第五實施例之光投射裝置500的示意圖。如圖6所示，包含液晶元件330a與液晶元件330b的光投射裝置500的液晶元件組設置於光投射裝置500的光源310與光投射裝置500的光學相位調制器320之間。

綜合上述，本揭露提出一種光投射裝置，其包含至少一液晶元件。液晶元件包含兩個導電電極與設置於兩個導電電極之間的液晶層。液晶層包含多個液晶分散於圖案化高分子結構中。可藉由改變施加於導電電極之間的電壓來調整光投射裝置所投射出的圖案光的圖案。可藉由調整圖案化高分子結構的密度分布來調整光投射裝置所投射出的圖案光的空間能量分布。

雖然本揭露已經參照其特定實施例而非常詳細的描述，其他實施例仍是可能的。因此，後附申請專利範圍的精神和範圍不應受限於本文包含之實施例的描述。熟習此技藝者顯然可在不脫離本揭露的範圍或精神內，對本揭露的結構作各種的潤飾和更動。鑑於上述，本揭露凝涵蓋所提供之揭露的潤飾與更動，而這些潤飾與更動皆落在下述申請專利範圍的範圍之內。

100‧‧‧光投射裝置

110‧‧‧光源

120‧‧‧光學相位調制器

130‧‧‧液晶元件

131、132‧‧‧基板

133、134‧‧‧導電電極

135‧‧‧液晶層

140‧‧‧控制驅動器

Claims

一種光投射裝置，包含：一光源，用以發射光；一光學相位調制器(optical phase modulator)，用以接收光且用以調制光的相位，其中該光學相位調制器為一繞射光學元件(diffractive optical element，DOE)；以及一液晶元件，用以接收光且用以產生一圖案光(patterned light)，其中該液晶元件包含：兩個基板；兩個導電電極，分別設置於該些基板上；以及一液晶層，設置於該些導電電極之間，其中該液晶層包含複數個液晶分散於一圖案化高分子結構中；其中藉由改變施加於該些導電電極之間的一電壓來調整該圖案光的一圖案。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，其中該光學相位調制器為一微透鏡陣列(microlens array，MLA)。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，更包含：一透鏡，設置於該光源與該光學相位調制器之間且用以聚焦自該光源所發射來的光。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，更包含：一控制驅動器，電性連接至該些導電電極且用以控制施加於該些導電電極之間的該電壓。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，其中該圖案化高分子結構為一高分子網絡液晶(polymer network liquid crystal，PNLC)。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，其中該圖案化高分子結構為一高分子分散液晶(polymer dispersed liquid crystal，PDLC)。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，其中藉由調整該圖案化高分子結構的一密度分布來調整該圖案光的一空間能量分布。
如申請專利範圍第1項所述之光投射裝置，其中藉由調整施加於該些導電電極之間的該電壓來改變該些液晶的一有效折射率與該圖案化高分子結構的一折射率的一差值。
如申請專利範圍第8項所述之光投射裝置，其中當該些液晶的該有效折射率匹配於該圖案化高分子結構的該折射率時，該圖案光為一結構光(structured light)；其中當該些液晶的該有效折射率不匹配於該圖案化高分子結構的該折射率時，該圖案光為一泛光(flood light)。
一種光投射裝置，包含：一光源，用以發射光；一光學相位調制器，用以接收光且用以調制光的相位，其中該光學相位調制器為一繞射光學元件；以及一液晶元件組，用以接收光且用以產生一圖案光，其中該液晶元件組包含至少兩個液晶元件，其中該些液晶元件之每一者包含：兩個基板；兩個導電電極，分別設置於該些基板上；以及一液晶層，設置於該些導電電極之間，其中該液晶層包含複數個液晶分散於一圖案化高分子結構中；其中藉由改變施加於每一該些液晶元件的該些導電電極之間的一電壓來調整該圖案光的一圖案。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，其中該光學相位調制器為一微透鏡陣列。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，更包含：一透鏡，設置於該光源與該光學相位調制器之間且用以聚焦自該光源所發射來的光。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，更包含：一控制驅動器，電性連接至該些導電電極且用以控制施加於每一該些液晶元件的該些導電電極之間的該電壓。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，其中該圖案化高分子結構為一高分子網絡液晶。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，其中該圖案化高分子結構為一高分子分散液晶。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，其中藉由調整該圖案化高分子結構的一密度分布來調整該圖案光的一空間能量分布。
如申請專利範圍第10項所述之光投射裝置，其中藉由調整施加於每一該些液晶元件的該些導電電極之間的該電壓來改變該些液晶的一有效折射率與該圖案化高分子結構的一折射率的一差值。
如申請專利範圍第17項所述之光投射裝置，其中當該些液晶的該有效折射率匹配於該圖案化高分子結構的該折射率時，該圖案光為一結構光；其中當該些液晶的該有效折射率不匹配於該圖案化高分子結構的該折射率時，該圖案光為一泛光。