TWI719383B - 多影像投影機以及具有多影像投影機之電子裝置 - Google Patents

多影像投影機以及具有多影像投影機之電子裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種包含一雷射模組以及一透鏡模組的投影機，其中該透鏡模組包含複數個透鏡以及複數個繞射光學元件。在該投影機的運作中，該雷射模組係用來產生至少一雷射光；該複數個透鏡中之每一者係用來接收該至少一雷射光中之一者以產生準直雷射光；以及該複數個繞射光學元件分別對應該複數個透鏡，且該複數個繞射光學元件中之每一者係用來接收來自對應的透鏡的準直雷射光，以產生影像。該複數個繞射光學元件所產生的影像形成該投影機之投影影像。藉由使用本發明之投影機，該投影影像可具有較高的解析度或視野，其對三維感測系統是有利的。

Description

多影像投影機以及具有多影像投影機之電子裝置
本發明係關於一投影機，尤指一種應用在一三維感測系統中之一多影像投影機。
為了取得三維影像，一電子裝置可使用一投影機來投影一特殊圖樣至一周圍區域，以及使用攝影機(camera)來擷取具有該特殊圖樣的影像，並且藉由一處理器分析擷取到的影像來取得該影像的深度資訊。傳統的投影機具有一固定焦距以及一固定視野(field of view,FOV)，所以當該特殊圖樣被投影至與該投影機相距很遠或太近的一物體上時，該特殊圖樣的解析度可能會變差，而且該深度資訊可能無法被準確地判斷。
因此，本發明之一目的在於提供一種投影機，能基於該投影機的操作距離來產生合適的投影影像至該周圍區域，以解決上述問題。
依據本發明一實施例，本發明提供一種包含有一雷射模組以及一透鏡模組的一投影機，其中該透鏡模組包含複數個透鏡以及複數個繞射光學元件(diffractive optical element,DOE)。在該投影機的運作中，該雷射模組係用來產生至少一雷射光；該複數個透鏡中之每一者係用來接收該至少一雷射光中之一者以產生一準直(collimated)雷射光；以及該複數個繞射光學元件分別對應該複數個透鏡，且該複數個繞射光學元件中之每一者係用來接收來自對應的透鏡 的準直雷射光，以產生一影像。
依據本發明另一實施例，本發明提供一種電子裝置，其中該電子裝置包含一投影機、一攝影機(camera)模組以及一處理器。在該電子裝置的運作中，該投影機係用來產生一投影影像至一周圍環境，該影機模組係用來擷取該周圍環境的區域以產生影像資料，且該處理器係用來分析該影像資料以取得該影像資料的深度資訊。在一實施例中，該投影機包含一雷射模組以及一透鏡模組，其中該透鏡模組包含複數個透鏡以及複數個繞射光學元件。在該投影機的運作中，該雷射模組係用來產生至少一雷射光；該複數個透鏡中之每一者係用來接收該至少一雷射光中之一者以產生一準直雷射光；以及該複數個繞射光學元件分別對應該複數個透鏡，且該複數個繞射光學元件中之每一者係用來接收來自對應的透鏡的準直雷射光，以產生一影像。該複數個繞射光學元件所產生的多個影像形成該投影機的該投影影像。
100:電子裝置
102:物體
104:投影影像
110:投影機
120:攝影機模組
130:處理器
140:控制器
210:雷射模組
220:透鏡模組
221、225:基板
222_1、222_2、428、839_1、839_2:透鏡
223:間隔物
224_1、224_2、724_1、724_2、724_3、724_4、 824_1、824_2、824_3、824_4:繞射光學元件
310、320、410、420、710、810、830:子基座
312、314、322、324、412、422、712、714、716、718、812、814、832、834:雷射二極體
414、416、424、426、816、818、836、838:稜鏡
502:第一影像
504:第二影像
f1、f2:焦距
第1圖為依據本發明一實施例之一電子裝置的示意圖。
第2圖為依據本發明一實施例之一投影機的示意圖。
第3圖繪示在本發明之實施例中之雷射模組。
第4圖繪示在本發明之其他實施例中之雷射模組。
第5圖繪示依據本發明一實施例來產生投影影像。
第6圖繪示在本發明一實施例中當一投影機於其多個透鏡被設計為具有不同焦距時的使用。
第7圖繪示在本發明一實施例中之一雷射模組以及一透鏡模組。
第8圖繪示在本發明之某些實施例中之基於第7圖所示雷射模組的精神來設計之 各種實施方式。
第1圖為依據本發明一實施例之電子裝置100的示意圖。如第1圖所示，電子裝置100包含一投影機110、一攝影機模組120、一處理器130以及一控制器140。在本實施例中，電子裝置100可為一智慧型手機或一平板電腦或其他能產生三維影像的可攜式裝置。
在電子裝置100的運作中，當電子裝置100準備擷取一物體102的三維影像時，首先，處理器130通知控制器140，且控制器140控制投影機110產生一投影影像104至物體102。接著，攝影機模組120將投影影像104與物體102一併擷取來產生影像資料。接著，處理器130分析該影像資料以取得該影像資料的深度資訊，以產生該三維影像。如本發明之先前技術所述，若物體102與投影機110相距很遠或者物體102太靠近投影機110，投影影像104的解析度可能會變差。因此，本發明之實施例提供投影機110的某些設計，以使得在物體102上的投影影像104具有較佳的解析度或視野。
第2圖為依據本發明一實施例之投影機110的示意圖。如第2圖所示，投影機110包含一雷射模組210以及一透鏡模組220，其中透鏡模組220包含一基板221、壓印(imprinted)在基板221表面上的兩個透鏡222_1與222_2、一基板225、壓印在基板225表面上的兩個繞射光學元件(diffractive optical elements,DOE)224_1與224_2、以及間隔物(spacer)223。在本實施例中，雷射模組210可為具有至少一紅外雷射二極體(簡稱該紅外雷射二極體)的封裝(package)所形成的元件，其中該紅外雷射二極體可用來發出一或兩個紅外雷射光(第2圖所示之兩個雷射光，但本發明不限於此)，且一雷射光穿透基板221、透鏡222_1、繞射光學元件224_1以及基板225以產生具有繞射光學元件224_1之圖樣的一第一影 像，而另一雷射光穿透基板221、透鏡222_2、繞射光學元件224_2以及基板225以產生具有繞射光學元件224_2之圖樣的一第二影像。需注意的是，依據設計者的考量，該第一影像或該第二影像能同時或依序地產生，或者，只產生該第一影像與該第二影像的其中之一。例如，當該第一影像或該第二影像同時或依序地產生，該第一影像以及該第二影像可形成投影機110的投影影像104。
在一實施例中，該紅外雷射二極體可為邊緣發射型(edge emitting type)、電漿(plasma)雷射二極體或表面發射型(surface emitting type)，諸如一垂直共振腔表面發射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)。另外，透鏡222_1與222_2可具有相同的焦距或不同的焦距。
第2圖所示之分層排列僅為說明之目的，只要透鏡模組220能產生該第一影像以及該第二影像，透鏡模組220可具有不同的設計。例如，透鏡222_1或222_2可為一雙凸(biconvex)透鏡，或者另一透鏡可被配置於透鏡222_1或222_2上方，或者繞射光學元件224_1與224_2可被壓印在基板225的上表面。另外，基板225可具有單一的繞射光學元件層，且繞射光學元件224_1為該繞射光學元件層的左半部，而繞射光學元件224_2為該繞射光學元件層的右半部。這些設計變化均隸屬本發明之專利範圍。
第3圖繪示在本發明之某些實施例中之雷射模組210。如第3(a)圖所示，雷射模組210包含一子基座(submount)310以及兩個雷射二極體312與314，其中雷射二極體312與314係接合於子基座310的同一側面上。在本實施例中，雷射二極體312所產生的雷射光穿透透鏡模組220之繞射光學元件224_1以產生該第一影像，且雷射二極體314所產生的雷射光穿透透鏡模組220之繞射光學元件224_2以產生該第二影像。在第3(b)圖所示之實施例中，雷射模組210包含一子基座320以及兩個雷射模組322與324，其中雷射二極體322與324係接合於子基座310的不同側面上。雷射二極體322所產生的雷射光穿透透鏡模組220之繞射光學 元件224_1以產生該第一影像，且雷射二極體324所產生的雷射光穿透透鏡模組220之繞射光學元件224_2以產生該第二影像。在第3圖所示之實施例中，當該第一影像以及該第二影像被投影至物體102上時，該第一影像以及該第二影像是重疊的。
第4圖繪示在本發明之某些其他實施例中之雷射模組210。如第4(a)圖所示，雷射模組210包含一子基座410一雷射二極體412、以及兩個稜鏡414與416，其中雷射二極體412所產生的雷射光的一部分被稜鏡414反射，且該雷射光的另一部分穿透稜鏡414並且被稜鏡416反射。被稜鏡416反射的雷射光穿透透鏡模組220的繞射光學元件224_1以產生該第一影像，且被稜鏡414反射的雷射光穿透透鏡模組220的繞射光學元件224_2以產生該第二影像。在第4(b)圖所示之實施例中，雷射模組210包含一子基座420一雷射二極體422、兩個稜鏡424與426、以及一透鏡428，其中雷射二極體422所產生的雷射光的一部分穿透透鏡428並且被稜鏡424反射，且該雷射光的另一部分穿透透鏡428與稜鏡424並且被稜鏡426反射。被稜鏡426反射的雷射光穿透透鏡模組220的繞射光學元件224_1以產生該第一影像，且被稜鏡424反射的雷射光穿透透鏡模組220的繞射光學元件224_2以產生該第二影像。在第4圖所示之實施例中，當該第一影像以及該第二影像被投影至物體102上時，該第一影像以及該第二影像是重疊的。
第5圖繪示依據本發明一實施例來產生投影影像104。如第5圖所示，一雷射光穿透透鏡模組220的繞射光學元件224_1以產生第一影像502至物體102，且另一雷射光穿透透鏡模組220的繞射光學元件224_2以產生第二影像504至物體102，其中第一影像502以及第二影像504中之每一者具有複數個光點。如第5圖所示，第一影像502以及第二影像504的位置能被小心地設計，以使得包含有第一影像502以及第二影像504的投影影像104具有較高的光點密度(即高解析度)。
需注意的是，第5圖所示之圖樣僅為說明之目的，並非本發明之限制。例如，第一影像502以及第二影像504的圖樣(即繞射光學元件224_1與224_2的圖樣)可為相同或不同，且第一影像502以及第二影像504的圖樣的光點密度或解析度可為相同或不同。另外，第5圖所示之實施例顯示出第一影像502以及第二影像504幾乎完全重疊，然而，第一影像502以及第二影像504的重疊率可依據工程師的考量來設計，例如，投影機110能設計成只讓第一影像502的左邊部份與第二影像504的右邊部分重疊。這些設計變化均隸屬本發明之專利範圍。
第6圖繪示在本發明一實施例中之投影機110於其透鏡222_1與222_2被設計為具有不同焦距時的使用。如第6圖所示，透鏡222_1具有焦距f1，且透鏡222_2具有焦距f2，例如，f1可為0.2公尺而f2為0.5公尺。在本實施例中，當物體102與投影機110很近時(例如相距0.15公尺)，繞射光學元件224_1所輸出之該第一影像可能是清晰的，而當物體102與投影機110很遠時(例如相距0.75公尺)，繞射光學元件224_1所輸出之該第一影像可能是模糊的。另一方面，當物體102與投影機110很近時，繞射光學元件224_2所輸出之該第二影像可能是模糊的，而當物體102與投影機110很遠時，繞射光學元件224_2所輸出之該第二影像可能是清晰的。因此，由於透鏡222_1與222_2的每一者具有其對應的操作距離，電子裝置100能選擇該第一影像與該第二影像中之具有清晰圖樣的影像，並且分析被選擇的影像以取得投影影像104的深度資訊。
關於第6圖所示之投影機110的控制，該第一影像以及該第二影像可被依序地產生至物體102，且攝影機模組120分別擷取對應於該第一影像以及該第二影像的影像資料，而處理器130判斷第一影像與該第二影像中何者為較清晰者，並且處理器130選擇並分析該較清晰者以取得該投影影像104的深度資訊。在其他實施例中，電子裝置100可使用其他能測量電子裝置100與物體102之間的距離的元件或方法，並且控制器140控制投影機110產生對應於某一透鏡之影 像，尤其是對應於具有與量測距離較接近的焦距的透鏡之影像。以第3(a)圖與第6圖為例，若電子裝置100判斷電子裝置100與物體102的距離很近，控制器140可控制投影機110開啟雷射二極體312以產生雷射光至透鏡222_1以及繞射光學元件224_1以產生該第一影像，此時雷射二極體314係被關閉的。若電子裝置100判斷電子裝置100與物體102的距離很遠，控制器140可控制投影機110開啟雷射二極體314以產生雷射光至透鏡222_2以及繞射光學元件224_2以產生該第二影像，此時雷射二極體312係被關閉的。
第2至6圖之實施例所示之投影機110只繪示兩個透鏡222_1與222_2以及兩個繞射光學元件224_1與224_2，然而，這些透鏡與這些繞射光學元件的數量可為兩個以上(例如1 * N的陣列、M * 1的陣列、M * N的陣列，其中M與N為任意合適的整數)。第7圖繪示包含有一子基座710(其具有四個雷射二極體712、714、716與718接合其上)的雷射模組以及包含有四個繞射光學元件724_1、724_2、724_3與724_4的透鏡模組。在第7圖所示之實施例中，雷射二極體712係用來產生一雷射光至繞射光學元件724_1以產生一第一影像，雷射二極體714係用來產生一雷射光至繞射光學元件724_2以產生一第二影像，雷射二極體716係用來產生一雷射光至繞射光學元件724_3以產生一第三影像，以及雷射二極體718係用來產生一雷射光至繞射光學元件724_4以產生一第四影像。在第7圖所示之實施例中，雷射二極體712、714、716與718能被同時地開啟或依序地開啟，或者，依據一操作距離，雷射二極體712、714、716與718中只有一部分被開啟。由於熟習此技藝者在閱讀前述實施例以後應了解第7圖所示之實施例的操作與應用，故相關細節在此不贅述。
第8圖繪示在本發明之某些實施例中之基於第7圖所示雷射模組的精神來設計之各種實施方式。如第8(a)圖所示，該雷射模組包含一子基座810、兩個雷射二極體812與814、以及兩個稜鏡816與818，其中雷射二極體812所產生的 雷射光的一部分被稜鏡816反射，且雷射二極體812所產生的雷射光的另一部分穿透稜鏡816並且被稜鏡818反射；雷射二極體814所產生的雷射光的一部分被稜鏡816反射，且雷射二極體814所產生的雷射光的另一部分穿透稜鏡816並且被稜鏡818反射。雷射二極體812所產生並且被稜鏡816反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_1，以產生該第一影像，雷射二極體814所產生並且被稜鏡816反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_2，以產生該第二影像，雷射二極體812所產生並且被稜鏡818反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_3，以產生該第三影像，以及雷射二極體814所產生並且被稜鏡818反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_4，以產生該第四影像。在第8(b)圖所示之實施例中，該雷射模組包含一子基座830、兩個雷射二極體832與834、兩個稜鏡836與838、以及兩個透鏡839_1與839_2，其中雷射二極體832所產生的雷射光的一部分穿透透鏡839_1並且被稜鏡836反射，且雷射二極體832所產生的雷射光的另一部分穿透透鏡839_1與稜鏡836並且被稜鏡838反射；雷射二極體834所產生的雷射光的一部分穿透透鏡839_2並且被稜鏡836反射，且雷射二極體834所產生的雷射光的另一部分穿透透鏡839_2與稜鏡836並且被稜鏡838反射。雷射二極體832所產生並且被稜鏡836反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_1，以產生該第一影像，雷射二極體834所產生並且被稜鏡836反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_2，以產生該第二影像，雷射二極體832所產生並且被稜鏡838反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_3，以產生該第三影像，以及雷射二極體834所產生並且被稜鏡838反射的雷射光可穿透該透鏡模組的繞射光學元件824_4，以產生該第四影像。
總結來說，在本發明的投影機中，該投影機能產生複數個影像，且該複數個影像可被同時或依序地產生，以取得具有較高密度/解析度及/或視 野的投影影像，或者，基於該投影機與該物體的距離，只產生該複數個影像的一部分，以取得較清晰的投影影像。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
110:投影機
210:雷射模組
220:透鏡模組
221、225:基板
222_1、222_2:透鏡
223:間隔物
224_1、224_2:繞射光學元件

Claims (16)

  1. 一投影機，包含：一雷射模組，用來產生至少一雷射光；一透鏡模組，包含：複數個透鏡，其中該複數個透鏡中之每一者係用來接收該至少一雷射光中之一者以產生一準直(collimated)雷射光，以及該複數個透鏡中之至少兩者為具有不同焦距的凸透鏡；以及複數個繞射光學元件(diffractive optical element,DOE)，其中該複數個繞射光學元件分別對應該複數個透鏡，且該複數個繞射光學元件中之每一者係用來接收來自對應的透鏡的準直雷射光，以產生一影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之投影機，其中該雷射模組包含複數個雷射二極體，且該複數個雷射二極體係分別用來產生複數個雷射光至該複數個透鏡。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之投影機，其中該複數個雷射二極體的數量、該複數個透鏡的數量以及該複數個繞射光學元件的數量均相同。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之投影機，其中該複數個雷射二極體同時或依序被開啟以分別產生該複數個雷射光至該複數個透鏡以及該複數個繞射光學元件來產生多個影像，且該些影像的至少一部分為重疊的。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之投影機，其中該些影像的每一者具有複 數個光點，該些影像形成該投影機之一投影影像，且該投影影像的光點密度大於該些影像中之每一者的光點密度。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之投影機，其中於該複數個雷射二極體中，只有一個雷射二極體被開啟以產生該雷射光至對應的透鏡與繞射光學元件，以產生該影像。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之投影機，其中該複數個繞射光學元件中之至少兩者具有不同的圖樣(pattern)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之投影機，其中該雷射模組包含至少一雷射二極體，且該至少一雷射二極體係用來產生複數個雷射光至該複數個透鏡。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之投影機，其中該至少一雷射二極體中之雷射二極體的數量少於該複數個透鏡的數量或該複數個繞射光學元件的數量。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之投影機，其中該至少一雷射二極體藉由利用至少一稜鏡來產生該複數個雷射光至該複數個透鏡。
  11. 一種電子裝置，包含：一投影機，包含：一雷射模組，用來產生至少一雷射光； 一透鏡模組，包含：複數個透鏡，其中該複數個透鏡中之每一者係用來接收該至少一雷射光中之一者以產生一準直(collimated)雷射光，以及該複數個透鏡中之至少兩者為具有不同焦距的凸透鏡；以及複數個繞射光學元件(diffractive optical element,DOE)，其中該複數個繞射光學元件分別對應該複數個透鏡，且該複數個繞射光學元件中之每一者係用來接收來自對應的透鏡的準直雷射光，以產生一影像至一周圍環境；一攝影機(camera)模組，用來擷取該周圍環境的區域以產生影像資料；以及一處理器，用來分析該影像資料以取得該影像資料的深度資訊。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電子裝置，其中該雷射模組包含複數個雷射二極體，且該複數個雷射二極體係分別用來產生複數個雷射光至該複數個透鏡。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電子裝置，其中該複數個雷射二極體同時或依序被開啟以分別產生該複數個雷射光至該複數個透鏡以及該複數個繞射光學元件來產生多個影像，且該些影像的至少一部分為重疊的。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電子裝置，其中該些影像的每一者具有複數個光點，該些影像形成該投影機之一投影影像，且該投影影像的光點密度大於該些影像中之每一者的光點密度。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之電子裝置，其中於該複數個雷射二極體中，只有一個雷射二極體被開啟以產生該雷射光至對應的透鏡與繞射光學元件，以產生該影像。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電子裝置，其中該處理器另分析該影像資料以判斷是否切換該複數個雷射二極體，以藉由使用另一雷射二極體以及對應的透鏡與繞射光學元件來產生另一影像至該周圍環境；以及當切換至該另一雷射二極體且該投影機產生了該另一影像，該攝影機模組另擷取該周圍環境的該區域以產生該另一影像的影像資料，且該處理器分析該另一影像的影像資料以取得該另一影像的影像資料的深度資訊。
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