TWI753452B

TWI753452B - 從具有機發光二極體顯示螢幕的設備投射結構光圖案

Info

Publication number: TWI753452B
Application number: TW109119467A
Authority: TW
Inventors: 尼可利諾史坦修
Original assignee: 新加坡商Ａｍｓ傳感器亞洲私人有限公司
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2022-01-21
Also published as: WO2020256634A1; EP3987248A1; US20220228857A1; TW202115363A; US11920919B2; CN114051656A; EP3987248B1

Abstract

本發明揭露一種包括顯示螢幕之設備，顯示螢幕包括以特定節距設置在第一平面中的OLED像素。光投射器包括設置在與該第一平面平行之第二平面中的發光元件。發光元件以與OLED像素相同的節距設置或以該等OLED像素的節距之整數倍設置。發光元件可操作以產生具有用於傳輸通過顯示螢幕之波長的光，以及第一與第二平面彼此之間以一距離D分離，以使d² =2 * (λ) * (D)/(N)，其中d是OLED像素之節距、λ是波長、以及N是正整數。

Description

從具有機發光二極體顯示螢幕的設備投射結構光圖案

本揭露相關於從具有機發光二極體(OLED)顯示螢幕的設備投射結構光圖案。

舉例而言，在需判定與場景中存在物體的距離之應用中，可使用結構光。透過由結構光在該場景中所產生的光圖案，可以根據物體與發射結構光之設備間的距離來區別物體。遊戲主機例如可包含圖案投射器，用於以結構光照射其中玩家存在之場景，而該照射場景被成像並分析以達到該場景之三維(3D)製圖(亦被稱作深度製圖)。在另一實例中，結構光可用以識別使用者。在此種實例中，該結構光可包含光點之陣列。偵測器接收到該光點之反射，且處理器使用該反射光來判定該臉部是否為授權使用者的臉部。若該臉部是授權使用者的臉部，則處理器可解鎖設備並允許該設備可以被使用。該設備可舉例而言是智慧型手機或其他可攜式主機計算裝置。

本揭露描述從具有機發光二極體(OLED)顯示螢幕的設備投射結構光圖案。該設備可舉例而言是智慧型手機、遊戲主機、或其他可攜式主機計算裝置。舉例而言，在一態樣中，設備包括顯示螢幕，該顯示螢幕包括以特定節距設置在第一平面中的OLED像素。光投射器包括設置在與該第一平面並行之第二平面中的發光元件。發光元件以與OLED像素相同的節距設置或以OLED像素的節距之整數倍設置。發光元件可操作以產生具有用於傳輸通過顯示螢幕之波長的光，以及第一與第二平面彼此之間以一距離D分離，以使d² =2 * (λ) * (D)/(N)，其中d是節距、λ是波長、以及N是正整數。若干實施例包括下列特徵中一或多特徵。舉例而言，在若干情況下，OLED像素以二維陣列排列，以及發光元件以二維陣列排列。發光元件可例如是VCSEL。在若干情況下，VCSEL(或其他的發光元件)是以一具有與OLED像素之排列的定向相同的定向排列。VCSEL之排列可相對於OLED像素之排列在第二平面中橫向移位。較佳的是，該等VCSEL與該等OLED像素各被排列成使該VCSEL之排列之定向不相對於該OLED像素之排列之定向而旋轉。在若干情況下，發光元件中每一者被排列以照射該OLED像素中的各別子集合，以及各該子集合包括多個相鄰OLED像素，以使得從發光元件中每一特定者所發出的光通過各別子集合中的OLED像素其中之多個不同的OLED像素以產生干擾圖案。顯示螢幕與光投射器可以被整合成例如可攜式計算裝置(例如，智慧型手機)之部分。根據另一態樣，一種方法包括使用發光元件產生波長λ之光，以及將由該發光元件所產生之光傳輸通過顯示螢幕，該顯示螢幕包括以特定節距設置在第一平面中的OLED像素。該發光元件被設置在與該第一平面平行之第二平面中，以及該發光元件以與該等OLED像素相同的節距設置(或以該節距之整數倍設置)。該第一與第二平面彼此之間以一距離D分離，以使d² =2 * (λ) * (D)/(N)，其中d是節距以及N是正整數。若干實施例包括下列特徵中一或多特徵。例如，在若干情況下，該發光元件中每一者照射該OLED像素中的各別子集合，以及各該子集合包括多個相鄰OLED像素，以使得從發光元件中每一個特定者所發出的光通過各別子集合中的OLED像素其中之多個不同OLED像素以產生干擾圖案。在若干情況下，透過發光元件所產生的光被傳輸通過智慧型手機之顯示螢幕。在若干實作中，該干擾圖案可以被投射到一場景中，該場景中至少一物體反射該光若干部分。該方法可包括感測到至少若干反射光，並使用由該感測到的光所產生的複數個訊號以用於眼睛追蹤或其他應用。從以下詳細說明、所附圖式和申請專利範圍，應可思及其他態樣、特徵和優點。

如圖1所描繪，一設備(光電子系統)包括光投射器20以將結構光圖案28投射到感興趣場景26中的一或多物體上。在若干實作中，該投射圖案由IR(紅外線)或光譜中近IR之光所構成。來自投射圖案28之光可被場景26中一或多物體反射以及被影像感測器22感測，該影像感測器包括對由光投射器20所發射的光之波長敏感的空間上分佈光敏感組件(例如，像素)。該偵測訊號可以被例如用於立體匹配之處理電路讀出與使用以產生3D影像。在若干情況下，一或多光學元件(諸如透鏡27)有助於將從場景26反射的光導向影像感測器22。例如對提供附加紋理用於匹配立體影像中的像素而言，使用結構光可以是有利的。在另一實例中，結構光圖案28可從使用者的臉部反射，以及該反射光可以被影像感測器22感測。偵測到的訊號可用以建立使用者臉部的深度圖。可接著將該深度圖與授權使用者之深度圖進行比較。在若干實作中，光投射器20、透鏡27、以及影像感測器22被整合於可攜式主機計算裝置100(諸如行動電話(蜂巢式電話)、智慧型手機、平板電腦、個人資料助理、或具網路能力之筆記型電腦)內(請見圖2)。在此種情況下，光投射器20、透鏡27、以及影像感測器22可以被設置在主機裝置之顯示螢幕24下方。顯示螢幕24可以被實作成OLED顯示螢幕。OLED是發光二極體(LED)，其中發射電場發光層是回應於電流而發光的有機化合物之薄膜。此有機層位於兩電極之間，其中至少一電極對從光投射器20所產生的光是透明或半透明。由於OLED之像素產生其自己的光，因此，OLED顯示螢幕24無需背光且可以是超薄。此外，可逐個別像素控制OLED螢幕之亮度。此等特徵令OLED顯示螢幕極度適用於諸如智慧型手機等可攜式主機計算裝置。一般而言，OLED像素陣列之節距決定由OLED顯示螢幕24所顯示的影像之解析度。像素節距例如提供像素密度之指示，該密度是由兩個相鄰像素中心之間的距離所計算出。一等效措施是指示每英吋像素數(ppi)。舉例而言，若干智慧型手機具有具備1920 × 1080像素陣列之5英吋(130 mm)顯示面板，其對應於約441 ppi(約58 µm之像素節距)。其他智慧型手機具有具備2：1長寬比與2880 × 1440像素陣列之6英吋(150 mm)顯示面板，其約為538 ppi(約47 µm之像素節距)。又有其他智慧型手機具有約458 ppi的2436 × 1125像素陣列(或約55 µm之像素節距)。普遍而言，像素節距可以是30 µm或以上。普遍而言，像素節距可高達70 µm。若干可攜式計算裝置使用具有與前述實例不同解析度之OLED顯示螢幕。如下文中所詳細描述，光投射器20被排列以使得由光投射器產生的光訊號通過OLED顯示螢幕24以及產生結構光圖案28，其可以包括投射到主機裝置外部的場景26中一或多物體上的離散特徵的圖案。如圖3所描繪，光投射器20可包括例如一或多發光元件30(例如，高功率發光元件)，諸如可操作以發射預定窄範圍波長(例如，在光譜的IR或近IR部分)的垂直腔表面發射雷射(VCSEL)的陣列。發光元件30之每一者可操作例如以發射在約850 nm +/- 10 nm範圍內的光、或在約830 nm +/- 10 nm範圍內的光、或在約940 nm +/- 10 nm範圍內的光。不同的波長與範圍可適用於其他的實作。 OLED顯示螢幕24之各OLED像素包括紅外線輻射(如由發光元件所發射者)可透射的部分。此透射式部分可例如為各像素之面積之大約一半。該透射式部分可例如是矩形、六角形、或具有若干種其他形狀。各OLED之透射式部分作用如光投射器20發射的光所通過的孔。OLED顯示螢幕作用如二維繞射光柵。這致使由VCSEL所發射之光中的干擾，其可用以獲得結構光圖案28。為獲得具有強對比度之結構光圖案28，VCSEL陣列應具有相同的週期性排列，包括與OLED像素陣列相同的節距(例如，同等而言，相同ppi)。因此，若OLED顯示螢幕24具有例如以節距d之像素的規則排列，則VCSEL 30應亦以相同節距予以排列。此外，VCSEL 30之陣列應具有與顯示螢幕24中OLED像素之陣列相同的定向(例如，包含VCSEL之格網與包含OLED像素之格應具有並行軸線)。雖然VCSEL 30之排列可移位(例如，橫向移位於與OLED像素平面並行之平面中)，但VCSEL之排列較佳應不相對於顯示螢幕24中OLED像素之排列而旋轉。 VCSEL陣列之平面與OLED像素陣列之平面之間的距離可被稱為D。較佳的是，包含VCSEL陣列之平面與包含OLED像素陣列之平面彼此平行。如圖3所示出，由VCSEL光束產生並通過OLED顯示螢幕24之結構光圖案28被記錄為遠場(far-field)。黑點指示高光強度之位置，而白區域指示低光強度之區。對於特定選擇之節距d、波長λ、與距離D，結構光圖案28中存在的對比度特別的高，而針對其他距離D，在所產生圖案中僅存在顯著較低的對比度。描述由此獲得在結構光圖案28中非常強烈對比度之節距d、波長λ、與距離D之數值間關聯性之方程式如下： d² =2 * (λ) * (D)/(N)，其中N代表正整數(例如，1、2、3、4等)。一特定實例中，VCSEL 30發射光譜中紅外線範圍內的光(例如，940nm)，以及整數N被設定成N=1，針對約45 µm之節距(d)，VCSEL陣列平面與OLED像素陣列之平面間的距離(D)為約1.08 mm。不同數值可適用於其他實作。若使用N =2，則在圖案28中可見較強對比度，以及距離D可被減半(若其他數值維持相同)。上述方程式被描述於US10509147中，且透過對其參照藉此將其內容併入本文中。在若干情況下，該VCSEL 30中每一者被排列以照射該OLED顯示螢幕24的像素中的各別子集合，以及各該子集合包括多個相鄰像素，以使得從VCSEL中每一特定者所發出的光通過各別子集合中的像素其中之多個不同像素以產生干擾圖案。所有干擾圖案被疊加，以使得結構光製造高密度干擾圖案，其可用於照射場景。結構光是源自於通過不同OLED像素傳播的光的干擾而產生的干擾圖案之事實將使得結構光之對比度可以在距OLED顯示螢幕24一廣範圍之距離內維持實質上恆定(例如，在從約5 cm-10 cm到無限之遠場中)。在若干情況下，該OLED像素與VCSEL中每一者以陣列(例如，線性陣列或2D陣列)排列。普遍而言，從疊加的干擾圖案所投射形成之圖案光是基於VCSEL陣列與OLED像素陣列之週期性。照射場(field of illumination，FOI)受VCSEL 30之散度的限制。因此，上述技術特別適用於諸如點狀圖案辨識(例如，眼睛追蹤)等僅需要相對小FOI之應用。本技術亦適用於一場景之3D製圖或偵測一物體之運動。此等應用可以被整合成例如智慧型手機(參見圖2)以及其他包括OLED顯示螢幕之可攜式計算裝置中。該技術也適用於經由臉部的深度圖進行之臉部辨識(例如，用以判定使用者是否為智慧型電話或其他可攜式計算裝置之授權使用者)。在上述實施例中，OLED顯示螢幕24具有以節距d之像素的規則排列，且VCSEL 30具相同節距d。然而，在其他實施例中，VCSEL 30之節距可以是OLED顯示螢幕之節距的整數倍。舉例而言，VCSEL 30之節距可以是2d，可以是3d等。在若干情況下，光投射器20、透鏡28、以及影像感測器22是具備相同光電子模組之組件。在其他實作中，光投射器20可以是沒有與影像感測器22及/或透鏡28被整合到相同模組中的離散組件。在本揭露中參照的智慧型手機與其他可攜式計算裝置之設計可包括一或多處理器(例如，諸如微處理器的電子控制單元)、一或多記憶體(例如，RAM)、儲存器(例如，磁碟或快閃記憶體)、使用者介面(其可包括例如，小鍵盤、OLED顯示螢幕、觸碰或其他手勢感測器、攝影機或其他光學感測器、羅盤感測器、3D磁力儀、3軸加速計、3軸陀螺儀、一或多麥克風等，連同用於提供圖形使用者介面之軟體指令)、在此等元件之間的互連(例如，匯流排)、以及用於與其他裝置通訊之介面(其可以是無線及/或有線的，無線包括諸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或藍芽，有線包括諸如透過乙太網路區域網路、T-1網際網路連接等)。各種組件可以被設置在覆蓋玻璃下方。前述技術有助於實現可操作以產生具有高對比度的結構光圖案之設備。微透鏡陣列並非是必須，因為OLED顯示螢幕(其作用為二維繞射光柵)提供干擾圖案，該干擾圖案疊加以形成結構光圖案28。由於微透鏡陣列並非必需，因此設備成本可降低。雖然本文件包含許多特定實作細節，惟其不應被解釋成是對本發明範圍之限制或示所主張之內容，相反的，其反而應被解釋成是本發明特定實施例特定的特徵之說明。在本文件中的不同實施例之上下文中所描述的特定特徵也可被結合實作於單一個實施例中。相反的，在單一實施例之上下文中所描述各種特徵也可實作於多個不同實施例中或以任何適當子組合而實作。此外，儘管在上文中可以將特徵描述為以某些組合起作用並且甚至最初是如此般主張，但是在某些情況下可以從該組合中切除所要求保護的組合中的一個或多個特徵，以及所要求保護的組合可以針對一子組合或該子組合的變體。據此，其他實作是在所附申請專利範圍之範疇內。

20:光投射器 22:影像感測器 24:OLED顯示螢幕 26:場景 27:透鏡 28:結構光圖案 100:主機計算裝置 30:VCSEL

[圖1]描繪根據本揭露實施例的設備之實例。 [圖2]描繪其中整合本揭露態樣的可攜式主機計算裝置之實例。 [圖3]描繪根據本揭露若干實作的設備之更多細節。

20:光投射器

24:OLED顯示螢幕

28:結構光圖案

30:VCSEL

Claims

一種光電子系統設備，包含：顯示螢幕，包括以特定節距設置在第一平面中的複數個OLED像素；光投射器，包括複數個發光元件，該等發光元件被設置在與該第一平面平行之第二平面中，該等發光元件被以與該等OLED像素相同的節距設置，或以與該等OLED像素的該節距之整數倍設置，其中，該等發光元件可操作以產生具有用於傳輸通過該顯示螢幕之波長的光，以及其中，該第一平面與第二平面彼此之間以一距離D分離，以使d²=2 * (λ) * (D)/(N)，其中d是該等OLED像素之該節距、λ是波長以及N是正整數；其中，該等發光元件中每一者被排列以照射該等OLED像素中的各別子集合，以及各該子集合包括多個相鄰OLED像素，以使得從該等發光元件中每一特定者所發出的光通過該各別子集合中該等OLED像素其中之多個不同OLED像素以產生干擾圖案。
如請求項1所述之光電子系統設備，其中該等OLED像素以二維陣列排列，以及其中該等發光元件以二維陣列排列。
如請求項1所述之光電子系統設備，其中該等發光元件是VCSEL。
如請求項3所述之光電子系統設備，其中該等VCSEL是以具有與該等OLED像素之排列的定向相同的定向排列。
如請求項4所述之光電子系統設備，其中該等VCSEL之排列是相對於該等OLED像素之排列在該第二平面中橫向移位。
如請求項3所述之光電子系統設備，其中該等VCSEL與該等OLED像素各被排列成使該等VCSEL之排列之定向不相對於該等OLED像素之排列之定向而旋轉。
如請求項1至6中任一項所述之光電子系統設備，其中該顯示螢幕與光投射器被整合成可攜式計算裝置之部分。
如請求項7所述之光電子系統設備，其中該可攜式計算裝置是智慧型手機。
一種傳輸圖案光之方法，其包含：使用複數個發光元件產生波長λ之光；以及將由該等發光元件所產生之光傳輸通過顯示螢幕，該顯示螢幕包括複數個OLED像素，該等OLED像素以特定節距設置於第一平面中，其中該等發光元件被設置在與該第一平面平行之第二平面中，該等發光元件被以與該等OLED像素相同的節距設置，或以與該等OLED像素的該節距之整數倍設置，以及其中該第一平面與第二平面彼此之間以一距離D分離，以使d²=2 * (λ) * (D)/(N)，其中d是該等OLED像素之該節距以及N是正整數；其中，該等發光元件中每一者照射該等OLED像素中的各別子集合，以及各該子集合包括多個相鄰OLED像素，以使得從該等發光元件每一特定者所發出的光通過該各別子集合中的該等OLED像素其中之多個不同的OLED像素以產生干擾圖案。
如請求項9所述之方法，其中由該等發光元件所產生的光被傳輸通過智慧型手機之顯示螢幕。
如請求項9所述之方法，其中該干擾圖案可投射到場景中，該場景中至少一物體反射該光若干部分，該方法包括：感測至少該反射光之若干部分。
如請求項11所述之方法，其更包括使用由該感測到的光所產生的複數個訊號以用於眼睛追蹤。
如請求項9至12中任一項所述之方法，其中該等發光元件是VCSEL。