TWI747289B - 成像裝置及成像方法 - Google Patents

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Abstract

一種成像裝置包括光發射器、光學繞射片、一對楔形稜鏡、旋轉單元、光接收器及處理單元。光發射器發射光束。光學繞射片位於光發射器的光通道上，並轉換光束為多個繞射光，其中多個繞射光形成第一光斑。此對楔形稜鏡位於光通道上，並調整第一光斑的射出方向。旋轉單元連接此對楔形稜鏡，使此對楔形稜鏡彼此相對旋轉，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出。光接收器依序接收對應多個角度的多個第一光斑反射回來的多個第二光斑。處理單元連接光接收器，並分別根據多個第二光斑產生多個光斑資訊並將多個光斑資訊處理為影像資訊。

Description

成像裝置及成像方法
本發明涉及一種成像裝置及成像方法，特別是關於一種利用稜鏡及飛行時間(Time of Flight,TOF)技術的成像裝置和成像方法。
近年來由於使用者對於攝影需求逐漸提高，隨著半導體快速的發展，成像配置要求較高精度的環境識別及定位。然而，傳統的二維影像偵測方式不符合現今一些應用的需求，這些應用需要利用三維(3D)量測得到較高的精度及準確度。並且，在各種三維量測技術中，非接觸式的光學量測是最常應用技術。
一般而言，收集物體之立體資訊的方法分為接觸式和非接觸式量測。二者係以是否接觸被測物體來進行區分。並且，由於接觸式量測需要藉由探頭在物件表面移動，不但探測裝置的大小受到限制，其探頭亦容易傷害被測物體。
目前在各種三維量測的技術中，以利用光學原理的非接觸量測為最常應用的技術。光學三維量測技術可以分為被動及主動量測兩種方式，前者(即被動量測)如雙目立體測量(stereo matching)，後者(即主動量測)如飛行時間(Time of Flight,TOF)。
飛行時間是一種三維主動式光學測距的技術。其測量原理是以儀器向待測物體主動發出光，並於接收由待測物體反射回來的反射光 後，計算發射出光與接受到反射光後的相位差或時間差，並由相位差或時間差估算光源的全部運動時間，得到儀器與待測物體的距離或深度資訊。
然而，採用TOF技術的成像裝置的拍攝解析度較差及/或拍攝範圍較小。
有鑑於此，本發明提供一種成像裝置及成像方法，藉以解決拍攝解析度較差及或拍攝範圍較小的問題。
在一些實施例中，一種成像裝置包括光發射器、光學繞射片、一對楔形稜鏡、旋轉單元、光接收器以及處理單元。光發射器發射光束。光學繞射片位於光發射器的光通道上。光學繞射片轉換光束為多個繞射光，其中多個繞射光形成第一光斑。此對楔形稜鏡位於光通道上。此對楔形稜鏡調整第一光斑的射出方向。旋轉單元連接此對楔形稜鏡。旋轉單元使此對楔形稜鏡彼此相對旋轉，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出。光接收器依序接收對應多個角度的多個第一光斑反射回來的多個第二光斑。處理單元連接光接收器。處理單元分別根據多個第二光斑產生多個光斑資訊並將多個光斑資訊處理為影像資訊。
在一些實施例中，一種成像方法包括發射光束、轉換光束為多個繞射光，其中多個繞射光形成一第一光斑、調整第一光斑的射出方向，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出、依序接收對應多個角度的多個第一光斑反射回來的多個第二光斑、根據多個第二光斑產生多個光斑資訊，以及處理多個光斑資訊為一影像資訊。
綜合上述，本發明提供一些實施例的成像裝置及成像方法， 其能藉由旋轉一對楔形稜鏡來改變光斑的投射方向，藉以達到更廣的照射範圍或更細的光斑分布，進而改善拍攝範圍(即改善視角限制)或拍攝解析度。因此，其可提供較小體積的成像裝置及降低成像裝置的製造成本。
1:成像裝置
10:反射光資訊
15:光斑資訊
15a:第一組光斑資訊
15b:第二組光斑資訊
15c:第三組光斑資訊
15d:第四組光斑資訊
20:影像資訊
100:光發射器
150:準直鏡
200:光學繞射片
300:一對楔形稜鏡
300a:楔形稜鏡
300b:楔形稜鏡
350:旋轉單元
400:光接收器
500:處理單元
550:驅動電路
600:光通道
700:物體
710:反射點
a:反射光資訊
b:反射光資訊
c:反射光資訊
d:反射光資訊
圖1係本發明一些實施例的成像裝置的示意圖；圖2A係本發明一些實施例的成像裝置於第一時間點的使用狀態示意圖；圖2B係圖2A的多個反射點示意圖；圖3A係成像裝置於第二時間點的使用狀態示意圖；圖3B係圖3A的多個反射點示意圖；圖4A係成像裝置於第三時間點的使用狀態示意圖；圖4B係圖4A的多個反射點示意圖；圖5A係成像裝置於第四時間點的使用狀態示意圖；圖5B係圖5A的多個反射點示意圖；圖6A係本發明一些實施例的第一時間點的反射光資訊a組成的第一組光斑資訊示意圖；圖6B係本發明一些實施例的第二時間點的反射光資訊b組成的第二組光斑資訊示意圖；圖6C係本發明一些實施例的第三時間點的反射光資訊c組成的第三組光斑資訊示意圖；圖6D係本發明一些實施例的第四時間點的反射光資訊d組成的第四 組光斑資訊示意圖；圖6E係本發明一些實施例的相鄰且不重疊的多個光斑資訊組成的影像資訊；圖7A係本發明另一些實施例的第一時間點的反射光資訊a組成的第一組光斑資訊示意圖；圖7B係本發明另一些實施例的第二時間點的反射光資訊b組成的第二組光斑資訊示意圖；圖7C係本發明另一些實施例的第三時間點的反射光資訊c組成的第三組光斑資訊示意圖；圖7D係本發明另一些實施例的第四時間點的反射光資訊d組成的第四組光斑資訊示意圖；圖7E係本發明另一些實施例的相鄰且重疊的多個光斑資訊組成的影像資訊；圖8A係本發明一些實施例的一光斑資訊；圖8B係本發明一些實施例的另一光斑資訊；圖8C係本發明一些實施例的相鄰且重疊的二光斑資訊；圖9係本發明一些實施例的成像方法的流程圖；以及圖10係圖9中步驟S100的流程圖。
請參閱圖1。在一些實施例中，成像裝置1包括光發射器100、光學繞射片200、一對楔形稜鏡300、旋轉單元350、光接收器400及處理單元500。旋轉單元350連接此對楔形稜鏡300。處理單元500連接 光接收器400。光學繞射片200及一對楔形稜鏡300位於光發射器100的光通道600上。換言之，光學繞射片200位於光發射器100的輸出光軸上。
請參閱圖1及圖9，在一些實施例中，光發射器100發射光束(步驟S100)。光發射器100可以為但不限於雷射發射器或高亮度發光二極體(高亮度LED)。光束可以為但不限於任何雷射光源或由高亮度LED搭配反射鏡與集束光學元件等以形成類似雷射效果的光束。在一示範例中，光束為垂直腔面發射雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)所發射的雷射光。
接著，光學繞射片200將光束轉換為多個繞射光(步驟S200)。於此，多個繞射光形成第一光斑，所述第一光斑例如但不限於矩陣分布的光束，且這些光束投射在一平面上會對應形成矩陣分布的光斑(或光點)。在一些示範例中，上述光學繞射片200為光學繞射元件(Diffractive Optical Elements,DOE)。
接續步驟S200，第一光斑通過一對楔形稜鏡300，且此對楔形稜鏡300用以調整第一光斑的射出方向，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出至物體700(步驟S300)。舉例來說，此對楔形稜鏡300包括第一楔形稜鏡300a及第二楔形稜鏡300b。第一楔形稜鏡300a及第二楔形稜鏡300b在光通道600的方向上前後設置。換言之，第一楔形稜鏡300a距離光學繞射片200相對較近，而第二楔形稜鏡300b距離光學繞射片200相對較遠。並且，第一光斑先通過第一楔形稜鏡300a後，再通過第二楔形稜鏡300b，接著射出至物體700表面上。
此外，前述「多個角度射出」的「角度」定義為第一光斑的 射出方向相對於光發射器100軸心方向形成的角度(即，射出角度)，於下文中，前述「角度」等同於為「射出角度」，但不等同於旋轉單元的「旋轉角度」。
旋轉單元350連接此對楔形稜鏡300，並使此對楔形稜鏡300彼此相對旋轉。舉例來說，旋轉單元350可以同時調整第一楔形稜鏡300a及第二楔形稜鏡300b的旋轉角度，或者旋轉單元350可以調整第一楔形稜鏡300a或第二楔形稜鏡300b其中一個的旋轉角度，並固定另一個楔形稜鏡(300a或300b)的旋轉角度。因此，當第一楔形稜鏡300a及第二楔形稜鏡300b的相對位置藉由旋轉單元350調整而改變時，通過此對楔形稜鏡300的光束的射出方向亦會有所不同。
於此，旋轉單元350旋轉此對楔形稜鏡300以調整第一光斑的射出方向，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出至物體700(步驟S300)。並且，光接收器400依序接收對應多個角度的多個第一光斑反射回來的多個第二光斑(步驟S400)。處理單元500根據多個第二光斑產生多個光斑資訊15(步驟S500)並且處理多個光斑資訊15為影像資訊20(步驟S600)。其中，各光斑資訊15包括多個反射光資訊10(參照圖6A至6E與圖7A至7E)。舉例來說，由多個繞射光形成的一第一光斑依據一角度射出至物體700表面上，多個繞射光在物體700表面上形成多個反射點710並反射為多個反射光(參照圖2A至5B)，且多個反射光形成一第二光斑，而此第二光斑被光接收器400感測後轉換為感測訊號並傳送至處理單元500。處理單元500接著依據感測訊號產生一光斑資訊15。以此類推，依據另一角度的射出的另一第一光斑最終會自物體700反 射回另一第二光斑，而另一第二光斑最終被光接收器400感測並經由處理單元500形成為另一光斑資訊15。處理單元500將一角度形成的一光斑資訊15及另一角度形成的另一光斑資訊15整合而形成為一影像資訊20。
在一些示範例中，處理單元500為中央處理器(Central Processing Unit,CPU)或微處理器等元件。
在一些實施例中，成像裝置1更包括準直鏡150(Collimator)。並且，準直鏡150位於光發射器100及光學繞射片200之間，如圖2A、3A、4A及圖5A所示。在一些實施例中，準直鏡150用以將光束進行準直化。並且，光發射器100及光學繞射片200均對應準直鏡150設置。
在一些實施例中，旋轉單元350可以為但不限於1、2或多個。在一些實施例中，旋轉單元350為一個，並連接楔形稜鏡300之一(即，第一楔形稜鏡300a或第二楔形稜鏡300b)，則另一個楔形稜鏡300(即，第二楔形稜鏡300b或第一楔形稜鏡300a)則固定不動。因此，當旋轉單元350旋轉其中一個楔形稜鏡300時，其相對另一個楔形稜鏡300旋轉。在一些實施例中，旋轉單元350為2個，分別連接第一楔形稜鏡300a及第二楔形稜鏡300b。因此，第一楔形稜鏡300a及第二楔形稜鏡300b可以同時相對彼此旋轉，或者其中一個旋轉單元350未旋轉，而另一個旋轉單元350相對其旋轉。於此，旋轉單元350使此對楔形稜鏡300相對旋轉以調整通過此對楔形稜鏡300的第一光斑的射出角度，並藉由改變此對楔形稜鏡300相對旋轉產生的多個射出角度使多個第一光斑依序以多個角度射出。
請參閱圖2A、3A、4A及圖5A。在一些實施例中，四種行徑 路徑係透過此對楔形稜鏡300調整的四個不同的第一光斑射出角度而產生。換言之，透過此對楔形稜鏡300改變第一光斑的射出角度，第一光斑照射到物體表面的位置也有所不同。請參閱圖2A，在一些實施例中，於第一時間點時，光發射器100射出光束，光束通過準直鏡150後進入光學繞射片200形成多個繞射光，其中多個繞射光形成第一光斑。第一光斑依據第一楔形稜鏡300a本身的折射率進行折射以通過第一楔形稜鏡300a，接著再進入第二楔形稜鏡300b。第一光斑於第二楔形稜鏡300b中進行折射並通過第二楔形稜鏡300b。接著，第一光斑照射至物體700表面左側形成多個反射點710(如圖2B所示，所述左側是沿Y軸偏上)。並且，於不同時間點時，此對楔形稜鏡300的相對旋轉角度和轉動位置不同，第一光斑因而以多個不同角度射出，進而改變第一光斑投射至物體表面的位置(即反射點710的位置)。圖3A至圖5A依序為第二至第四時間點時，光束及第一光斑的其餘三種行徑路徑。在一些實施例中，圖3B繪示於第二時間點形成的第一光斑照射至物體700表面上側形成多個反射點710(如圖3B所示，所述上側是在Y軸的中間且沿X軸偏右)，圖4B繪示於第三時間點形成的第一光斑照射至物體700表面下側形成多個反射點710(如圖4B所示，所述下側是在Y軸的中間且沿X軸偏左)，以及圖5B繪示於第四時間點形成的第一光斑照射至物體700表面右側形成多個反射點710(如圖5B所示，所述右側是沿Y軸偏下)。需要特別說明的是，上述圖式的第一光斑照射位置僅是為了便於描述和簡化描述發明內容，而不是指示或暗示所指的元件或狀態必須具有特定數量的時間點、特定的方位和特定大小，因此不能理解為對本發明的限制。
在一些實施例中，如前述多個第一光斑依序以多個角度射出，其中多個角度之任一角度與光發射器的軸心方向呈現一銳角角度。換言之，第一光斑射出的任一方向與光發射器的軸心方向形成一銳角角度。在一些實施例中，多個角度之其中一角度與光發射器的軸心方向平行。換言之，第一光斑射出的其中一個方向與光發射器的軸心方向平行。
並且，在一些實施例中，第一光斑以多個角度之一照射至物體700的表面上形成多個反射點710(如圖2B、3B、4B或圖5B所示)，且多個反射點710反射回來的多個反射光形成對應的多個第二光斑之一。
在一些實施例中，當光發射器100的光投射功率較低時(例如節能或低功耗需求等原因)，需要使光束更集中以投射到更遠處。並且，當光束越集中時，第一光斑照射至物體700上而形成的反射點710的照射範圍或光接收器400所感測的第二光斑的感測範圍(相應於第一光斑在物體700上形成的反射點710的照射範圍)會越小，在此情況下，若需要感測深度資訊的物體或表面較大，就需要增加第一光斑的照射範圍(相應於光接收器400對第二光斑的感測範圍)；或者，當待成像的物體7000和成像裝置1之間的距離較近或環境屬於空間較窄的情形時，在此情況下，也可能需要增加第一光斑的照射範圍(相應於光接收器400對第二光斑的感測範圍)。無論是基於上述原因或其他任何需要更大感測範圍的使用狀況下，可藉由此對楔形稜鏡300改變第一光斑在不同時間點的投射角度，使得在不同時間點下連續照射至物體700的第一光斑不重疊，並且反射回來的多個第二光斑的範圍彼此也不重疊。換言之，使此種使用狀態下的對應多個角度反射回來的第二光斑，於處理單元500中形成由相鄰且不重疊的 多個光斑資訊15組成的影像資訊20，且多個光斑資訊15由多個反射光資訊10組成。換言之，在一示範例中，影像資訊20可為由相鄰且不重疊的多個光斑資訊15組成，進而擴大第一光斑的總和照射範圍(相應於光接收器400對第二光斑的總和感測範圍)，如圖6E所示。
在一些實施例中，以圖6A至圖6E為例，處理單元500於第一時間點接收並產生的第一組光斑資訊15a是由多個反射光資訊a所組成(如圖6A所示)，以此類推，處理單元500依據第二時間點接收並產生對應的第二組光斑資訊15b是由多個反射光資訊b形成(如圖6B所示)、依據第三時間點接收並產生對應的第三組光斑資訊15c是由多個反射光資訊c形成(如圖6C所示)，以及依據第四個時間點接收並產生對應的第四組光斑資訊15d是由多個反射光資訊d形成(如圖6D所示)，其中圖6A至圖6D的虛線代表基準位置，以呈現圖6A至圖6D光斑資訊15相對於基準位置的變化。由於此對楔形稜鏡300的旋轉角度較大，各組光斑資訊15的分布密集但彼此不重疊。接著，處理單元500將四組光斑資訊15處理為一影像資訊20(如圖6E所示)。換言之，影像資訊20是由第一組光斑資訊15a、第二組光斑資訊15b、第三組光斑資訊15c及第四組光斑資訊15d組成。於此，影像資訊20為四倍範圍的光斑資訊15，但不限於此。舉例來說，第一組光斑資訊15a、第二組光斑資訊15b、第三組光斑資訊15c及第四組光斑資訊15d分別為4x4的光斑(反射光資訊10)分布矩陣，而組合後的影像資訊20為8x8的光斑分布矩陣。藉此，原本較小的照射範圍及/或感測範圍可以擴大為較大的照射範圍及/或感測範圍。在各光斑之間的間距不變的情況下，四個4x4的光斑分布矩陣排列為8x8的光斑分布矩陣，相當於照 射範圍及/或感測範圍的長與寬分別增加二倍，總面積增加四倍。在一些實施例中，此對楔形稜鏡300的旋轉角度可使多個反射點710從物體700表面的初始照射中心上下左右位移63微米(μm)，並於四個時間點後共照射一長寬126微米(126μm x 126μm)的方形範圍區域。換言之，四組多個反射點710的投射位置構成長寬126微米(126μm x 126μm)的反射點710範圍。
在另一實施例中，當光發射器100光束照射距離較遠時，會使得第一光斑或第一光斑照射在物體700上的反射點710彼此分布較鬆散。或者，當需要成像的物體700或環境較為複雜時，若第一光斑形成的反射點710的分布(相應於光接收器400對第二光斑的感測精細度)不夠細密，則無法取得此物體700或環境的精確深度資訊，在此情況下，需要更密集的反射點710分布以使光接收器400在相同範圍內能接收更多的第二光斑，以取得更精細的距離(例如飛行時間)資訊，換句話說，藉此可取得更高的解析度。因此，在任何需要更高解析度的情況下，可藉由此對楔形稜鏡300改變第一光斑在不同時間點的投射角度，且所述在不同時間點的投射角度的變化相對於前述圖6A至6E的實施例會較小使得在不同時間點下連續照射至物體700的第一光斑的範圍會重疊，並且反射回來的多個第二光斑的範圍彼此也會重疊(但多個第一光斑的重疊範圍中的多個反射點710彼此不重疊，多個第二光斑的重疊範圍中的多個反射光之間彼此不重疊)，因此可加總形成更緻密的光斑資訊15分布，進而提高影像解析度或深度資訊的精細度。換言之，使此種使用狀態下的對應多個角度反射回來的第二光斑，於處理單元500中形成由相鄰且重疊的多個光斑資訊15 組成的影像資訊20，並且影像資訊20中的多個光斑資訊15的多個反射光資訊10彼此未重疊。換言之，在另一示範例中，影像資訊20由相鄰且重疊的多個光斑資訊15組成，且多個光斑資訊15的多個反射光資訊10彼此未重疊，進而提高在相同照射範圍內的第一光斑的密集度(相應於光接收器400在相同感測範圍內感測到的第二光斑的密集度)，如圖7E所示。
在一些實施例中，以圖7A至圖7E為例，處理單元500於第一時間點接收並產生的第一組光斑資訊15a是由多個反射光資訊a所組成(如圖7A所示)，以此類推，處理單元500依據第二時間點接收並產生對應的第二組光斑資訊15b是由多個反射光資訊b形成(如圖7B所示)、依據第三時間點接收並產生對應的第三組光斑資訊15c是由多個反射光資訊c形成(如圖7C所示)，以及依據第四個時間點接收並產生對應的第四組光斑資訊15d是由多個反射光資訊d形成(如圖7D所示)，其中圖7A至圖7D的虛線代表基準位置，以呈現圖7A至圖7D光斑資訊15相對於基準位置的變化。由於此對楔形稜鏡300的旋轉角度較小，各組光斑資訊15(即，第一組光斑資訊15a、第二組光斑資訊15b、第三組光斑資訊15c及第四組光斑資訊15d)的分布較密集且重疊，但各反射光資訊(a、b、c或d)不重疊。接著，處理單元500將四組光斑資訊15處理為一影像資訊20(如圖7E所示)。即，影像資訊20是由第一組光斑資訊15a、第二組光斑資訊15b、第三組光斑資訊15c及第四組光斑資訊15d組成。於此，影像資訊20為四倍分布密度的光斑資訊15，但不限於此。舉例來說，第一組光斑資訊15a、第二組光斑資訊15b、第三組光斑資訊15c及第四組光斑資訊15d分別為4x4的光斑(反射光資訊10)分布矩陣，而組合後的影像資訊20為8x8的 光斑分布矩陣。藉此，原本較稀疏的光斑分布可以提高為較密集的光斑分布。在照射範圍及/或感測範圍幾乎不變或只有較小幅度增加的情況下，四個4x4的光斑分布矩陣合在一起而排列為8x8的光斑分布矩陣，相當於在相同照射範圍及/或感測範圍下，長與寬的光斑分布密度分別增加二倍，總密度增加四倍，相應於光接收器400對第二光斑感測到的總和解析度也會增加四倍。在一些實施例中，此對楔形稜鏡300的旋轉角度可使多個反射點710從物體700表面的初始照射中心上下左右位移精度為2微米(μm)。
在一些實施例中，處理單元500依據各該光斑資訊15進行一飛行時間(TOF)的運算以產生對應的影像資訊20。飛行時間(TOF)的技術分為直接飛行時間(Direct-TOF)及間接飛行時間(Indirect-TOF,I-TOF)。
直接飛行時間(Direct-TOF)的運算原理係透過光發射器100發射第一光斑與光接收器400接收反射回來的第二光斑進行觸發。光接收器400接收第二光斑時，處理單元可利用光速、發射第一光斑與接收第二光斑的時間間距、發射光束的頻率的關係運算出成像裝置1與物體700的實際距離。利用直接飛行時間(Direct-TOF,D-TOF)計算飛行時間具有探測距離遠、運算速度快、功耗低(發射光束)、抗光干擾性佳等益處。
間接飛行時間(Indirect-TOF,I-TOF)的運算原理係透過光接收器400二次接收反射回來的第二光斑進行觸發。光接收器400接受第一次的第二光斑並再接收第二次的第二光斑時，處理單元500二次接收第二光斑的相位，並透過相位進行距離運算。利用間接飛行時間 (Indirect-TOF,I-TOF)計算飛行時間具有探測距離遠、解析度大、功耗低(發射光束)、抗光干擾性佳等益處。
在一些示範例中，光發射器100發射光束(即步驟S100)。光束通過光學繞射片200並轉換為多個繞射光，且多個繞射光形成第一光斑(即步驟S200)。第一光斑通過此對楔形稜鏡300。藉由此對楔形稜鏡300調整第一光斑的射出方向，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出(即步驟S300)。第一光斑投射到物體700上形成多個反射點710，且從多個反射點710反射回來的多個反射光形成對應的多個第二光斑之一。接著，光接收器400依序接收對應多個角度的多個第一光斑反射回來的多個第二光斑(即步驟S400)，並將多個第二光斑傳送至處理單元500。處理單元500根據多個第二光斑產生多個光斑資訊15(即步驟S500)，接著將多個光斑資訊15處理為影像資訊20(即步驟S600)。
請參閱圖10，在一些實施例中，處理單元500更用以設定一時間間距(即步驟S110)。在一些實施例中，成像裝置1更包括驅動電路550，且驅動電路550電性連接處理單元500，如圖1所示。藉此，在一實施例中，於設定時間間距後，驅動電路550依據此時間間距驅動光發射器100發射光束(即步驟S120)，以及處理單元500依據時間間距與各光斑資訊15進行一飛行時間(TOF)的運算以產生對應的影像資訊20。
在另一些示範例中，首先，處理單元500設定時間間距(即步驟S110)。接著，光發射器100依據時間間距發射光束(即步驟S120)。光束通過光學繞射片200並轉換為多個繞射光，且多個繞射光形成第一光斑(即步驟S200)。第一光斑通過此對楔形稜鏡300。藉由此對楔形稜鏡 300調整第一光斑的射出方向，使第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出(即步驟S300)。第一光斑投射到物體700上形成多個反射點，且從多個反射點反射回來的多個反射光形成對應的多個第二光斑之一。接著，光接收器400依序接收對應多個角度的多個第一光斑反射回來的多個第二光斑(即步驟S400)，並將多個第二光斑傳送至處理單元500。處理單元500根據多個第二光斑產生多個光斑資訊15(即步驟S500)，接著將多個光斑資訊15處理為影像資訊20(即步驟S600)。舉例來說，對應的影像資訊20係依據時間間距及各光斑資訊15進行飛行時間(TOF)的運算而產生。
請參閱圖8A至圖8C。在一示範例中，光發射器100在第一時間點時發射第一組光束。第一組光束在通過光學繞射片200後轉換為由多個繞射光形成的第一組第一光斑。第一組第一光斑通過一對楔形稜鏡300後以其調整的第一射出角度照射至物體表面。第一組第一光斑在物體表面形成第一組反射點710，且第一組反射點710反射回來第一組多個反射光並形成第一組第二光斑。第一組第二光斑經由處理單元500形成第一組光斑資訊15，如圖8A所示。再請參閱圖8A，實線方形區域為第一組光斑資訊15，各方格分別為反射光資訊10。其中，方格內42、44、47、48、49、50、51、53代表檢測到的距離資訊(或經運算得到的飛行時間的距離值)，且距離資訊或距離值的單位為毫米或公分。0則代表沒檢測到的反射光資訊10。在一些實施例中，由於光束經光學繞射片200後轉換為多個繞射光，在某些狀況下(如反射角度、反射表面的粗糙度等的影響)，照射到物體表面某些反射點710，其反射回來的反射光不具有足夠的光強度，因此無 法被順利檢測到，此種反射點710對應的反射光資訊則以0表示。
接著，為得到更精細的距離(例如飛行時間)資訊，光發射器100在第二時間點時發射第二組光束。第二組光束在通過光學繞射片200後轉換為由多個繞射光形成的第二組第一光斑。第二組第一光斑通過此對楔形稜鏡300後以其調整的第二射出角度照射至物體表面。由於第二射出角度較小，第二組第一光斑的照射位置與第一組第一光斑的照射位置重疊，換言之，第二組反射點710位置與第一組反射點710位置重疊。因此，第二組光斑資訊15(如圖8B所示)相對第一組光斑資訊15(如圖8A所示)些許位移(如，相較於圖8A，圖8B中的光斑資訊15向左位移一方格)。請參閱圖8B，實線方形區域為第二組光斑資訊15，各方格分別為反射光資訊10。其中，方格內42、44、47、48、49、50、51、53代表檢測到的距離資訊(或經運算得到的飛行時間的距離值)，且距離資訊或距離值的單位為毫米或公分。0則代表沒檢測到的反射光資訊10。
處理單元500接著將第一組光斑資訊15與第二組光斑資訊15處理為一影像資訊20，如圖8C所示。第一組光斑資訊15與第二組光斑資訊15彼此重疊，但各反射光資訊10並未重疊。請參與圖8C，相較於圖8A及8B，圖8C可見因處理後得到更多且更詳細的各反射光資訊10。因此，所得到的影像資訊20具有較高的解析度。
此外，在一些實施例中，依據需求調整此對楔形稜鏡300的旋轉角度，並搭配光學繞射片200獲得更多的反射光資訊，有利於成像裝置1在一定時間內收集不同的光斑資訊15並處理為解析度較高的影像資訊20，或可收集不同的光斑資訊15處理為範圍較大的影像資訊20。因此， 在一些實施例中，成像方法或成像裝置1可應用於光學防手震(Optical Image Stabilization,OIS)技術。
於此，在一些實施例中，成像裝置1藉由光學繞射片200可將作為點光源(即光束)轉換成為作為面光源(即第一光斑)，並增加照射到物體的光線。在一些實施例中，藉由旋轉一對楔形稜鏡300，可使通過此對楔形稜鏡300並在多個不同角度射出的第一光斑達成更廣或更密的照射範圍。在一些實施例中，光接收器400無須空間位移以接受從物體反射回來的第二光斑，因此，可形成較小體積的成像裝置1及降低製造成本。
綜上所述，本發明提供一些實施例的成像裝置1及成像方法，其能藉由旋轉一對楔形稜鏡300來改變第一光斑的投射方向，藉以達到更廣的照射範圍或更細的光斑分布，進而改善拍攝範圍(即改善視角限制)或拍攝解析度。藉此，可依據需求適用於各種情境(例如，需要更大感測範圍的使用狀況時，或需要更精細的距離資訊的使用狀況時)並對應達成範圍較廣的影像資訊20或解析度較高的影像資訊20。並且，其可提供較小體積的成像裝置1及降低成像裝置1的製造成本。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1:成像裝置
100:光發射器
200:光學繞射片
300:一對楔形稜鏡
300a:楔形稜鏡
300b:楔形稜鏡
350:旋轉單元
400:光接收器
500:處理單元
550:驅動電路
600:光通道
700:物體

Claims (13)

  1. 一種成像裝置，包括：一光發射器，發射一光束；一光學繞射片，位於該光發射器的一光通道及該光發射器的軸心方向上，轉換該光束為多個繞射光，其中該多個繞射光形成一第一光斑；一對楔形稜鏡，位於該光通道及該光發射器的軸心方向上，調整該第一光斑的射出方向，其中該第一光斑的射出方向包括與該光發射器的軸心方向形成一銳角角度的射出方向及與該光發射器的軸心方向平行的射出方向；一旋轉單元，連接該對楔形稜鏡，使該對楔形稜鏡彼此相對旋轉，使該第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出；一光接收器，依序接收對應該多個角度的該多個第一光斑反射回來的多個第二光斑；以及一處理單元，連接該光接收器，分別根據該多個第二光斑產生多個光斑資訊並將該多個光斑資訊處理為一影像資訊。
  2. 如請求項1所述的成像裝置，其中該處理單元依據各該光斑資訊進行一飛行時間(TOF)的運算以產生對應的該影像資訊。
  3. 如請求項1所述的成像裝置，其中該第一光斑以該多個角度之一照射至一物體的表面上形成多個反射點，該多個反射點反射回來的多個反射光形成對應的該多個第二光斑之一，其中各該光斑資訊包括多個反射光資訊。
  4. 如請求項3所述的成像裝置，其中該影像資訊由相鄰且重疊的該多個光斑資訊組成，且該多個光斑資訊的該多個反射光資訊彼此未重疊。
  5. 如請求項3所述的成像裝置，其中該影像資訊由相鄰且不重疊的該多個光斑資訊組成。
  6. 如請求項1所述的成像裝置，更包括一準直鏡，該準直鏡位於該光發射器及該光學繞射片之間。
  7. 如請求項1所述的成像裝置，其中該處理單元更用以設定的一時間間距，該成像裝置更包括一驅動電路，該驅動電路電性連接該處理單元，該驅動電路依據該時間間距驅動該光發射器發射該光束，以及該處理單元依據該時間間距與各該光斑資訊進行一飛行時間(TOF)的運算以產生對應的該影像資訊。
  8. 一種成像方法，包括：以一光發射器發射一光束；以一光學繞射片轉換該光束為多個繞射光以形成一第一光斑，其中該光學繞射片位於該光發射器的軸心方向上；以位於該光發射器的軸心方向上的一對楔形稜鏡調整該第一光斑的射出方向，使該第一光斑依序藉由調整後的射出方向以多個角度射出，其中該第一光斑的射出方向包括與該光發射器的軸心方向形成一銳角角度的射出方向及與該光發射器的軸心方向平行的射出方向；該多個角度的該多個第一光斑依序投射到一物體上形成多個反射點並反射形成的多個反射光以依序形成對應的多個第二光斑； 以一光接收器依序接收該多個第二光斑並送至一處理單元；該處理單元根據該多個第二光斑產生多個光斑資訊；以及該處理單元處理該多個光斑資訊為一影像資訊。
  9. 如請求項8所述的成像方法，其中發射該光束的步驟包括：設定一時間間距；以及依據該時間間距發射一光束。
  10. 如請求項9所述的成像方法，其中處理該多個光斑資訊為該影像資訊的步驟為：依據該時間間距與各該光斑資訊進行一飛行時間(TOF)的運算以產生對應的該影像資訊。
  11. 如請求項8所述的成像方法，其中各該光斑資訊由多個反射光資訊組成。
  12. 如請求項11所述的成像方法，其中該影像資訊由相鄰且重疊的該多個光斑資訊組成，且該多個光斑資訊的該多個反射光資訊彼此未重疊。
  13. 如請求項11所述的成像方法，其中該影像資訊由相鄰且不重疊的該多個光斑資訊組成。
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