TWI728307B

TWI728307B - 光學裝置

Info

Publication number: TWI728307B
Application number: TW108102770A
Authority: TW
Inventors: 郭漢檥; 陳冠銘; 蔡立酋; 蔡孟珂
Original assignee: 奇景光電股份有限公司
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2021-05-21
Also published as: TW202028810A

Abstract

一種光學裝置包含垂直共振腔面射型雷射光源與透鏡陣列。垂直共振腔面射型雷射光源用以發射具有至少一光點的光。透鏡陣列用以接收從垂直共振腔面射型雷射光源所發射來的光，從而投影結構光。結構光包含具有數個光點的點圖案。多個凸透鏡係沿著透鏡陣列的第一表面設置，且凸透鏡用以產生點圖案的光點。

Description

光學裝置

本揭露實施例是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種用以提供具有特定圖案的結構光之光學裝置。

結構光(structured light)是具有特定圖案的光。結構光可被投影在一個或多個感興趣的物體上。接著，被物體所反射的反射光由一個或多個成像感測器所感測，以產生用於立體圖像匹配之三維圖像。結構光的應用顯著地增加，且相關的技術已被廣泛的研究與開發。

一種已知的結構光產生單元包含多點(multi-dots)發射光源、投影透鏡與繞射式光學元件(diffractive optical element，DOE)，然而，由於後聚焦(back-focusing)與投影透鏡的長度較長，這種已知的結構光產生單元的空間利用率較差。另一種已知的結構光產生單元包含光源、硬質光罩(hard mask)與投影透鏡，然而，硬質光罩會遮擋部分從光源所發射的光，因此這種已知的結構光產生單元的效率較差。又另一種已知的結構光產生單元包含邊射型雷射(edge emitting laser)、準直透鏡與繞射式光學元件，然而，繞射式光學元件的製程控制不易，因此繞射式光學元件存在著零序功率(zero order power)的問題，對人眼較易有安全疑慮。再另一種已知的結構光產生單元包含多點發射光源、繞射透鏡與繞射式光學元件，然而，將繞射透鏡與繞射式光學元件做在同一元件內的製程相當嚴苛，使得這種已知的結構光產生單元的繞射效率較差。

本揭露之目的在於提出一種光學裝置，包含垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)光源與透鏡陣列。垂直共振腔面射型雷射光源用以發射具有至少一光點的光。透鏡陣列用以接收從垂直共振腔面射型雷射光源所發射來的光，從而投影結構光(structured light)。結構光包含具有數個光點的點圖案。多個凸透鏡係沿著透鏡陣列的第一表面設置，且凸透鏡用以產生點圖案的光點。

在一些實施例中，其中多個凹透鏡係沿著透鏡陣列的第二表面設置，且第一表面與第二表面彼此相對；其中第一表面相應於透鏡陣列的入光面，且第二表面相應於透鏡陣列的出光面；其中凹透鏡用以增加光學裝置之視野(field of view，FOV)。

在一些實施例中，其中係根據垂直共振腔面射型雷射光源之發散角(divergence angle)、垂直共振腔面射型雷射光源之節距(pitch)、垂直共振腔面射型雷射光源之光點的數量、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、透鏡陣列的基板厚度以及介於垂直共振腔面射型雷射光源與透鏡陣列之間的後焦距(back focal length，BFL)之至少一者，來決定結構光的點圖案。

在一些實施例中，其中係根據垂直共振腔面射型雷射光源之發散角、垂直共振腔面射型雷射光源之節距、垂直共振腔面射型雷射光源之光點的數量、每個凹透鏡的節距、每個凹透鏡的球高、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、透鏡陣列的基板厚度以及介於垂直共振腔面射型雷射光源與透鏡陣列之間的後焦距之至少一者，來決定結構光的點圖案。

在一些實施例中，其中係根據每個凸透鏡的節距來設計垂直共振腔面射型雷射光源的光點的排列方式，從而決定結構光的點圖案的光點的排列方式或增加結構光的點圖案的光點的數量。

本揭露之目的在於另提出一種光學裝置，包含垂直共振腔面射型雷射光源、透鏡陣列與繞射式光學元件(diffractive optical element，DOE)。垂直共振腔面射型雷射光源用以發射具有至少一光點的光。透鏡陣列用以接收從垂直共振腔面射型雷射光源所發射來的光，從而提供具有數個光點的圖案光(patterned light)。繞射式光學元件用以扇出(fan out)圖案光，從而投影結構光。結構光包含具有數個光點的點圖案。其中繞射式光學元件用以增加光學裝置的視野且用以產生點圖案的光點。其中點圖案的光點的數量大於圖案光的光點的數量。

在一些實施例中，其中多個凸透鏡係沿著透鏡陣列的第一表面設置，且凸透鏡用以產生圖案光的光點。

在一些實施例中，其中多個凹透鏡係沿著透鏡陣列的第二表面設置，且第一表面與第二表面彼此相對。其中第一表面相應於透鏡陣列的入光面，且第二表面相應於透鏡陣列的出光面。其中凹透鏡用以增加光學裝置之視野。

在一些實施例中，其中係根據垂直共振腔面射型雷射光源之發散角、垂直共振腔面射型雷射光源之節距、垂直共振腔面射型雷射光源之光點的數量、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、透鏡陣列的基板厚度以及介於垂直共振腔面射型雷射光源與透鏡陣列之間的後焦距之至少一者，來決定結構光的點圖案。

在一些實施例中，其中係根據垂直共振腔面射型雷射光源之發散角、垂直共振腔面射型雷射光源之節距、垂直共振腔面射型雷射光源之光點的數量、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、每個凹透鏡的節距、每個凹透鏡的球高、透鏡陣列的基板厚度以及介於垂直共振腔面射型雷射光源與透鏡陣列之間的後焦距之至少一者，來決定結構光的點圖案。

在一些實施例中，其中繞射式光學元件的結構被設計為用以散射圖案光，從而決定結構光的點圖案的光點的排列方式或增加結構光的點圖案的光點的數量。

1‧‧‧第一組光點

2‧‧‧第二組光點

3‧‧‧第三組光點

100、200‧‧‧光學裝置

120、220‧‧‧垂直共振腔面射型雷射光源

140、240‧‧‧透鏡陣列

142、242‧‧‧入光面

144、244‧‧‧出光面

180、280‧‧‧平面

260‧‧‧繞射式光學元件

d、x12、y12、x13、y13‧‧‧距離

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。

[圖1]係根據本揭露的第一實施例之光學裝置的示意圖。

[圖2]係根據本揭露的第一實施例之光學裝置的垂直共振腔面射型雷射光源的光點的一種排列方式的示意圖。

[圖3]係根據本揭露的第一實施例之光學裝置的垂直共振腔面射型雷射光源的光點的另一種排列方式的示意圖。

[圖4]係根據本揭露的第二實施例之光學裝置的示意圖。

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。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。

圖1係根據本揭露的第一實施例之光學裝置100的示意圖。光學裝置100包含垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)光源120與透鏡陣列140。垂直共振腔面射型雷射光源120用以朝向透鏡陣列140發射光。在本揭露的第一實施例中，垂直共振腔面射型雷射光源120可為單點光源或多點光源，例如具有1x1個光點、3x3個光點或9x9個光點的光源。

透鏡陣列140用以接收從垂直共振腔面射型雷射光源120所發射來的光，從而投影結構光(structured light)於平面180上。結構光包含用於特定目的(例如三維(3D)感測或立體圖像匹配)之具有數個光點的點圖案。結構光的點圖案的光點的數量多於垂直共振腔面射型雷射光源120的光點的數量。透鏡陣列140具有彼此相對的兩個表面，即入光面142與出光面144。入光面142比出光面144更靠近垂直共振腔面射型雷射光源120。

多個凹透鏡係沿著透鏡陣列140的入光面142設置，且多個凸透鏡係沿著透鏡陣列140的出光面144設置。然而，本揭露的第一實施例不限於此。舉例來說，入光面142可為平坦的表面且多個凸透鏡係沿著透鏡陣列140的出光面144設置。舉另一例來說，多個凸透鏡係沿著透鏡陣列140的入光面142設置且出光面144可為平坦的表面。

應注意的是，凸透鏡係用以產生結構光的點圖案的多個光點。應注意的是，凹透鏡係用以增加光學裝置100的視野(field of view，FOV)。

在本揭露的第一實施例中，當透鏡陣列140具有凹透鏡與凸透鏡分別沿著透鏡陣列140的兩個相對表面設置時，透鏡陣列140所投影的結構光的點圖案係根據垂直共振腔面射型雷射光源120之發散角(divergence angle)、垂直共振腔面射型雷射光源120之節距(pitch)、垂直共振腔面射型雷射光源120之光點的數量、每個凹透鏡的節距、每個凹透鏡的球高、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、透鏡陣列140的基板厚度、介於垂直共振腔面射型雷射光源120與透鏡陣列140之間的後焦距(back focal length，BFL)、或其組合來決定。舉例來說，當介於垂直共振腔面射型雷射光源120與透鏡陣列140之間的後焦距減少時，光學裝置100的視野(field of view，FOV)相應地增加，但結構光的點圖案的光點的數量相應地減少。

在本揭露的第一實施例中，當透鏡陣列140具有一個平坦的表面與一個非平坦表面，其中非平坦表面係具有凸透鏡分別沿著該非平坦表面設置時，透鏡陣列140所投影的結構光的點圖案係根據垂直共振腔面射型雷射光源120之發散角、垂直共振腔面射型雷射光源120之節距、垂直共振腔面射型雷射光源120之光點的數量、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、透鏡陣列140的基板厚度、介於垂直共振腔面射型雷射光源120與透鏡陣列140之間的後焦距(back focal length，BFL)、或其組合來決定。舉例來說，當垂直共振腔面射型雷射光源120的發散角增加時，光學裝置100的視野(field of view，FOV)相應地增加，且結構光的點圖案的光點的數量相應地增加。

在本揭露的第一實施例中，垂直共振腔面射型雷射光源120的光點的排列方式被設計，以決定結構光的點圖案的光點的排列方式或增加結構光的點圖案的光點的數量。應注意的是，垂直共振腔面射型雷射光源120的光點的排列方式係根據透鏡陣列140的每個凸透鏡的節距來設計。

圖2係根據本揭露的第一實施例之光學裝置100的垂直共振腔面射型雷射光源120的光點的一種排列方式的示意圖。垂直共振腔面射型雷射光源120包含第一組光點、第二組光點與第三組光點，其中第一組光點即圖2中以符號1圈起所標示者；第二組光點即圖2中以符號2圈起所標示者；第三組光點即圖2中以符號3圈起所標示者。應注意的是，距離d為透鏡陣列140的每個凸透鏡的節距。如圖2所示，距離d+x₁₂代表第一組光點與第二組光點之間的最近的水平間距，距離y₁₂代表第一組光點與第二組光點之間的最近的垂直間距，距離x₁₃代表第一組光點與第三組光點之間的最近的水平間距，距離d+y₁₃代表第一組光點與第三組光點之間的最近的垂直間距。

圖3係根據本揭露的第一實施例之光學裝置100的垂直共振腔面射型雷射光源120的光點的另一種排列方式的示意圖。應注意的是，距離d為透鏡陣列140的每個凸透鏡的節距。如圖3所示，距離x₁₂代表第一組光點與第二組光點之其中兩個光點之間的最近的水平間距，距離y₁₂代表第一組光點與第二組光點之其中兩個光點之間的最近的垂直間距，距離x₁₃代表第一組光點與第三組光點之其中兩個光點之間的最近的水平間距，距離y₁₃代表第一組光點與第三組光點之其中兩個光點之間的最近的垂直間距。應注意的是，如圖2與圖3所示的垂直共振腔面射型雷射光源120的光點的排列方式的設計是為了增加結構光的點圖案的不規則性，從而降低辨識特定物體的困難度。

圖4係根據本揭露的第二實施例之光學裝置200的示意圖。光學裝置200包含垂直共振腔面射型雷射光源220、透鏡陣列240與繞射式光學元件(diffractive optical element，DOE)260。垂直共振腔面射型雷射光源220用以朝向透鏡陣列240發射光。在本揭露的第二實施例中，垂直共振腔面射型雷射光源220可為單點光源或多點光源，例如具有1x1個光點、3x3個光點或9x9個光點的光源。

透鏡陣列240用以接收從垂直共振腔面射型雷射光源220所發射來的光，從而投影具有數個光點的圖案光(patterned light)。圖案光的光點的數量多於垂直共振腔面射型雷射光源220的光點的數量。繞射式光學元件260用以扇出(fan out)圖案光，從而投影結構光於平面280上。結構光包含用於特定目的(例如三維(3D)感測或立體圖像匹配)之具有數個光點的點圖案。結構光的點圖案的光點的數量大於圖案光的光點的數量。透鏡陣列240具有彼此相對的兩個表面，即入光面242與出光面244。入光面242比出光面244更靠近垂直共振腔面射型雷射光源220。

多個凹透鏡係沿著透鏡陣列240的入光面242設置，且多個凸透鏡係沿著透鏡陣列240的出光面244設置。然而，本揭露的第二實施例不限於此。舉例來說，入光面242可為平坦的表面且多個凸透鏡係沿著透鏡陣列240的出光面244設置。舉另一例來說，多個凸透鏡係沿著透鏡陣列240的入光面242設置且出光面244可為平坦的表面。

應注意的是，凸透鏡係用以產生結構光的點圖案的多個光點。應注意的是，凹透鏡係用以增加光學裝置100的視野(field of view，FOV)。應注意的是，繞射式光學元件260用以增加光學裝置的視野且用以產生結構光的點圖案的光點。

在本揭露的第二實施例中，由繞射式光學元件260所投影的結構光的點圖案係根據垂直共振腔面射型雷射光源220之發散角、垂直共振腔面射型雷射光源220之節距、垂直共振腔面射型雷射光源220之光點的數量、每個凹透鏡的節距、每個凹透鏡的球高、每個凸透鏡的節距、每個凸透鏡的球高、透鏡陣列240的基板厚度、介於垂直共振腔面射型雷射光源220與透鏡陣列240之間的後焦距、或其組合來決定。

在本揭露的第二實施例中，係根據透鏡陣列240的每個凸透鏡的節距來設計垂直共振腔面射型雷射光源220的光點的排列方式，以決定結構光的點圖案的光點的排列方式或增加結構光的點圖案的光點的數量。

在本揭露的第二實施例中，繞射式光學元件260的結構被設計為用以散射圖案光，從而決定結構光的點圖案的光點的排列方式或增加結構光的點圖案的光點的數量。舉例來說，繞射式光學元件260可提供圖案光的散射，以產生不同的繞射階數(diffraction orders)，從而增加結構光的點圖案的光點的數量。具體而言，繞射式光學元件260可增加結構光的點圖案的光點的密度。

綜合上述，本揭露提出一種光學裝置包含垂直共振腔面射型雷射光源與透鏡陣列，本揭露還提出一種光學裝置包含垂直共振腔面射型雷射光源、透鏡陣列與繞射式光學元件。本揭露所提出之光學裝置用以提供包含數個光點的結構光。本揭露所提出之光學裝置使用透鏡陣列，從而具有較佳的空間利用率。本揭露所提出之光學裝置使用透鏡陣列與繞射式光學元件，從而具有較低的能量損失。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

200‧‧‧光學裝置

220‧‧‧垂直共振腔面射型雷射光源

240‧‧‧透鏡陣列

242‧‧‧入光面

244‧‧‧出光面

280‧‧‧平面

260‧‧‧繞射式光學元件

Claims

一種光學裝置，包含：一垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)光源，用以發射具有至少一光點的光；以及一透鏡陣列，用以接收從該垂直共振腔面射型雷射光源所發射來的光，從而投影一結構光(structured light)，其中該結構光包含具有數個光點的一點圖案；其中複數個凸透鏡係沿著該透鏡陣列的一第一表面設置，且該些凸透鏡用以產生該點圖案的該些光點；其中係根據該垂直共振腔面射型雷射光源之一發散角(divergence angle)、該垂直共振腔面射型雷射光源之一節距(pitch)、每一該些凸透鏡的一球高(sag height)、該透鏡陣列的一基板厚度以及介於該垂直共振腔面射型雷射光源與該透鏡陣列之間的一後焦距(back focal length，BFL)之至少一者，來決定該結構光的該點圖案。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中複數個凹透鏡係沿著該透鏡陣列的一第二表面設置，且該第一表面與該第二表面彼此相對；其中該第一表面相應於該透鏡陣列的一入光面，且該第二表面相應於該透鏡陣列的一出光面；其中該些凹透鏡用以增加該光學裝置之視野(field of view，FOV)。
如申請專利範圍第2項所述之光學裝置，其中係根據該垂直共振腔面射型雷射光源之該發散角、該垂直共振腔面射型雷射光源之該節距、每一該些凹透鏡的一節距、每一該些凹透鏡的一球高、每一該些凸透鏡的一節距、每一該些凸透鏡的該球高、該透鏡陣列的該基板厚度以及介於該垂直共振腔面射型雷射光源與該透鏡陣列之間的該後焦距之至少一者，來決定該結構光的該點圖案。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中係根據每一該些凸透鏡的一節距來設計該垂直共振腔面射型雷射光源的該些光點的一排列方式，從而決定該結構光的該點圖案的該些光點的一排列方式或增加該結構光的該點圖案的該些光點的數量。
一種光學裝置，包含：一垂直共振腔面射型雷射光源，用以發射具有至少一光點的光；一透鏡陣列，用以接收從該垂直共振腔面射型雷射光源所發射來的光，從而提供具有數個光點的一圖案光(patterned light)；以及一繞射式光學元件(diffractive optical element，DOE)，用以扇出(fan out)該圖案光，從而投影一結構光，其中該結構光包含具有數個光點的一點圖案，其中該繞射式光學元件用以增加該光學裝置的視野且用以產生該點圖案的該些光點；其中該點圖案的該些光點的數量大於該圖案光的該些光點的數量；其中複數個凸透鏡係沿著該透鏡陣列的一第一表面設置，且該些凸透鏡用以產生該圖案光的該些光點；其中係根據該垂直共振腔面射型雷射光源之一發散角、該垂直共振腔面射型雷射光源之一節距、每一該些凸透鏡的一球高、該透鏡陣列的一基板厚度以及介於該垂直共振腔面射型雷射光源與該透鏡陣列之間的一後焦距之至少一者，來決定該結構光的該點圖案。
如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中複數個凹透鏡係沿著該透鏡陣列的一第二表面設置，且該第一表面與該第二表面彼此相對；其中該第一表面相應於該透鏡陣列的一入光面，且該第二表面相應於該透鏡陣列的一出光面；其中該些凹透鏡用以增加該光學裝置之視野。
如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中係根據該垂直共振腔面射型雷射光源之該發散角、該垂直共振腔面射型雷射光源之該節距、每一該些凸透鏡的一節距、每一該些凸透鏡的該球高、每一該些凹透鏡的一節距、每一該些凹透鏡的一球高、該透鏡陣列的該基板厚度以及介於該垂直共振腔面射型雷射光源與該透鏡陣列之間的該後焦距之至少一者，來決定該結構光的該點圖案。
如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中係根據每一該些凸透鏡的一節距來設計該垂直共振腔面射型雷射光源的該些光點的一排列方式，從而決定該結構光的該點圖案的該些光點的一排列方式或增加該結構光的該點圖案的該些光點的數量。
如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中該繞射式光學元件的一結構被設計為用以散射該圖案光，從而決定該結構光的該點圖案的該些光點的一排列方式或增加該結構光的該點圖案的該些光點的數量。